嵩山地区新太古宙歪咀山岩体成因及其地质意义

李兴隆，司荣军， 毛广钰， 谢翔

(河南理工大学资源环境学院, 河南 焦作　454000)



嵩山地区新太古宙歪咀山岩体成因及其地质意义

李兴隆，司荣军， 毛广钰， 谢翔

(河南理工大学资源环境学院, 河南 焦作454000)

嵩山是新太古宙TTG岩石出露的典型地区，新太古宙歪咀山片麻状奥长花岗岩分布于嵩山地区歪咀山一带，岩体呈灰白色，具中粒花岗结构，片麻状构造，局部发育条带状构造。富Na2O(4.08% ～ 5.30%)和SiO2(平均65%)，贫Fe、Mg，Na2O/K2O值较高(1.5～3.9)，Al2O3含量为14.14%～17.44%，平均为15.33%，>15%，显示为过铝质特征。ΣREE为121×10-6～267×10-6，重稀土亏损，轻重稀土强烈分异，Eu出现微弱负异常，具高的Sr含量，Cr、Yb、Y含量较低，与新生代高硅埃达克岩地球化学特征相似；岩石的Nb、Y、Rb、Th、La和Yb之间的关系特征和岛弧火山岩相似。地球化学特征表明歪咀山岩体是在高压下由俯冲的含水玄武质洋壳部分熔融形成。

新太古宙；奥长花岗岩；地质意义；歪咀山

JAHNET al. (1981) 最先将英云闪长岩、奥长花岗岩和花岗闪长岩称为TTG岩套(JAHN, B.M.，1981)。TTG岩石以富SiO2(>64%)、高Na2O含量(4.08%～5.30%)、低K2O /Na2O(<0.5)值，低铁镁矿物(Fe2O3+MgO+MnO+TiO2<5 %)为特征(MOYEN, J.F，2001)。典型的TTG岩石是具有等粒结构的含斜长石、黑云母和石英的深成岩；副矿物有褐帘石、绿帘石、磷灰石、锆石、榍石和钛磁铁矿。

TTG占据了太古宙大陆壳物质组成的50%～70%(面积)或更高。形成于2.5～4.0Ga的大多数初始大陆地壳(约90%)都属于TTG岩套。因此，它们在地壳形成和演化历史(特别是早期历史)中起着重要作用。

河南嵩山地区位于华北克拉通南缘，是我国记录前寒武纪地质的典型地区之一。该区域内广泛分布新太古宙TTG质片麻岩套，总出露面积约53.5km2，占出露岩石面积的70%以上(伍家善等，1998)。各岩体自东向西分布，片麻理南北向延伸。空间上TTG片麻岩与登封群表壳岩密切共生，并侵入登封群的西边。早期将该区以新太古宙登封岩群为代表的TTG岩套统称为登封杂岩(劳子强，1989)；虽然前人已经对该套岩石做了大量的研究工作(劳子强等，1996；周艳艳等，2009；CHUNRONG Diwu et al，2011)，但该TTG岩套成因模式与构造背景等许多问题依然存在争议。

2012年，依托中国地质调查局“河南省1∶5万大口集等4幅数字区调项目”，在嵩山地区新解体出歪咀山岩体-歪咀山片麻状奥长花岗岩。笔者选择嵩山地区歪咀山片麻状奥长花岗岩，通过系统的岩石学、岩石地球化学等方法探讨歪咀山岩体的地球化学特征、岩石属性及其形成的大地构造环境，进而为华北克拉通南缘在新太古宙处于何种构造环境提供新的依据。

1　区域地质概况

嵩山位于华北地块南缘、嵩箕地块北中部。由于受历次构造运动影响，地质构造相当复杂，既有形态复杂的褶皱构造，又有不同方向不同性质的断裂构造。基底由太古宇中深变质岩系和古元古界变质碎屑岩-碳酸盐岩组合构成。盖层由中元古界碎屑岩、寒武系—奥陶系碳酸盐岩、石炭系—三叠系碎屑岩-碳酸盐岩和新生界等组成。

嵩山地区前寒武纪岩石地层序列发育较为完整，是研究华北陆块南缘前寒武纪地壳组成及其演化的重要窗口。嵩山早前寒武纪岩石序列主要包括深成侵入岩和表壳岩，其中深成侵入岩包括TTG质片麻岩、变闪长岩和后期花岗岩，普遍经历了角闪岩相变质作用；表壳岩即登封群杂岩，登封群下部由角闪岩、斜长角闪片岩、变粒岩等组成，上部由云母片岩和斜长角闪岩组成。登封地区TTG质片麻岩主要分布在海神庙、后河、会善寺、歪咀山和大塔寺一带，属于深成侵入岩。

歪咀山片麻状奥长花岗岩分布于嵩山地区江左东北部歪咀山一带及大金店西北部李庄村附近。出露面积约17km2。北侧被新太古宙花岗闪长岩及中元古代正长花岗岩侵入，西侧侵入于新太古宙登封群郭家窑组斜长角闪片岩之中，东部与古元古界罗汉洞组角度不整合接触，南部被第四系覆盖(图1)。

2　样品及岩相学特征

笔者选取歪咀山片麻状奥长花岗岩，样品采集地点见图1。歪咀山片麻状奥长花岗岩具有中粒花岗结构，片麻状构造，局部发育条带状构造；岩体边缘相有弱的片麻理发育，中央相则无构造变形；主要矿物为斜长石、石英，少量黑云母；岩体内部可见伟晶岩、变辉绿岩、辉绿岩脉及登封群郭家窑组斜长角闪片岩残留体。

岩石受到较强的碎裂作用，产生大大小小的裂隙，沿裂隙有时有微粒长英质、黑色矿物、云母等充填。矿物裂隙发育，方向不一，边缘常碎粒化。碎粒大小0.022～0.082mm，含量约13%～10%，花岗岩成分、结构、构造尚清。斜长石呈半自形板柱状或不规则状，一般大小为1.19mm×1.69mm～0.7mm×1.08mm，具钠长聚片双晶，双晶纹常弯曲、断裂、错开，切面上均有绢云母分布。石英呈他形粒状，大小为0.38～0.75mm，切面干净，裂纹发育，波状消光，常呈数粒至十几粒聚集不均匀定向分布于长石之间。黑云母、白云母呈小鳞片状，一般大小为0.22mm×0.39mm～0.072mm×0.17mm，两者常混杂聚集，不均匀分散分布。金属矿物主要为白钛石，绿帘石微量，零星分布。个别白钛石大小为0.45mm×2.06mm。

1.歪咀山岩体；2.元古宇；3.正长花岗岩；4.奥长花岗岩；5.斜长角闪片岩；6.变粒岩；7.绢云石英片岩；8.闪长岩；9.不整合接触；10.断层；11.采样位置图1　嵩山地区地质简图(据劳子强，1996)Fig. 1　Simplified geological map of Songshan area(After LAO,et al,1996)

3　分析方法

样品采集制备完成之后送山东省地质科学实验研究院经行测试。岩石硅酸盐分析采用X-射线荧光光谱法(XRF)测试，分析精度为2%。稀土及微量元素分析方法采用电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)，分析精度达5%，RSD<5%。

4　岩石地球化学特征

4.1主量元素地球化学特征

样品主微量元素分析结果见表1。为更全面地分析嵩山地区新太古宙TTG岩地球化学特征，在分析过程中结合了周艳艳(2009)对本区TTG所做的6个样品的主微量元素数据。

表1　歪咀山片麻状奥长花岗岩主量(%)、微量及稀土元素(10-6)分析结果表

续表1

对岩样实测主量元素数据分析可知：歪咀山片麻状奥长花岗岩总体特征为富Na2O(4.08%～5.3%)，Na2O/K2O取值的范围是1.5～3.9。SiO2(60.38%～68.88%)相当于中酸性岩浆成分。MgO的含量较高(MgO为1.45%～3.10%)。Al2O3整体上质量分数为14.47%～17.44%，A/CNK[Al2O3/( CaO +Na2O+K2O)分子比]=0.84～1.18，平均为1.08。

据A/NK-A/CNK铝饱和指数判定图解(图2)，所测岩样数据处理都落在弱过铝质区域内，指示了歪咀山岩体应该属于弱过铝质岩类。其中PM034-119、PM034-124和PM034-140贫镁铁质氧化物(Fe2O3+MgO+TiO2<6%)。

里特曼指数取值大部分在1.66～3.26(<3.3)范围内，显示出岩体类型属于钙碱性系列。

在标准化的An-Ab-Or图解上(图3a)样品基本都落入O’ Connor(1965)定义的SangmelimaTTG区域或在其附近(图3a)。在K-Na-Ca图解上(图3b)，向富Na的方向演化，样品显示了奥长花岗岩演化趋势，部分样品显示钙碱性演化趋势，表现出TTG的典型特征。

图2　歪咀山地区片麻状奥长花岗岩A/CNK-A/NK图解(据PAPU D et al, 1989)Fig.2　A/CNK-A/NK diagram of gneissic trondhjemite in Waijushan area(from PAPU D.　Maniar, 1989)

○.本次工作所测的歪咀山地区片麻状奥长花岗岩样品；△.嵩山地区TTG片麻岩样品(引自周艳艳等，2009)图3　(a)歪咀山地区片麻状奥长花岗岩An-Ab-Or分类图解(据BARKER, 1979; O’CONNOR, 1965)(b)歪咀山地区片麻状奥长花岗岩K-Na-Ca图解(据BARKER et al., 1976)Fig.3　(a)The classification diagram according to An-Ab-Or of gneissic trondhjemite in Waijushan area(After BARKER, 1979; O‘Connor, 1965) (b) The K-Na-Ca diagram of gneissic trondhjemite in Songshan area(After BARKER et al, 1976)

岩体主量元素的特征由Harker图解表现出来(图4)，图5中使用的数据见表1。Harker图解显示出：TiO2、Al2O3、MgO、CaO 、P2O5、K2O与SiO2含量呈负相关，显示出一致的岩浆来源。

4.2稀土元素地球化学特征

用球粒陨石标准化REE配分模式图对稀土元素进行处理(图5)，图解中使用的数据见表1。

岩体稀土元素球粒陨石标准化分布型式图表现为右倾的轻稀土富集型，重稀土相对亏损，轻重稀土分馏明显。歪咀山岩体的Eu异常不明显或略具负Eu异常，可能与斜长石分离结晶有关。REE总量偏低(∑REE为121×10-6～267×10-6)，LREE/HREE值为2.4～6.8，La含量为23.22×10-6～55.33×10-6，Yb含量为1.16×10-6～4×10-6。(La/Yb)N值为5～29，平均为19。(La/Sm)N值为4.6～6.1，平均为5.2。(Gd/Yb)N值为1.1～4.9，平均为3.2。体现LREE含量相对较高，HREE含量相对较低，轻重稀土元素分异显著的特征。重稀土Y和Yb等元素含量较低可能是因为TTG质片麻岩是由玄武质物质部分熔融产生含石榴子石的角闪质或者榴辉质残留物所导致(R. L. CULLERS et al，1987)。

○.Our samples of gneissic trondhjemite; △：TTG gneiss samples in Songshan area(from ZHOU et al., 2009).○.本次工作所测的歪咀山地区片麻状奥长花岗岩样品；△：嵩山地区TTG片麻岩样品(引自周艳艳等，2009)图4　歪咀山地区片麻状奥长花岗岩Harker图解(据Bhatia, 1983)Fig.4　The Harker diagram of gneissic trondhjemite in Waijushan area(After BHATIA, 1983)

图5　歪咀山岩体球粒陨石标准化REE分布型式图(球粒陨石标准化值据SUN et al., 1989)Fig.5　Chondrite-normalized REE pattern of Waijushan rocks (chondrite value of SUN et al., 1989)

4.3微量元素地球化学特征

用原始地幔标准化微量元素蛛网图对实测岩样数据进行处理(图6)，图解中使用的数据见表1。

图6　歪咀山岩体原始地幔标准化微量元素蛛网图(PM标准值据SUN et al.，1989)Fig. 6　PM-normalized incompatible element spider pattern of Waijushan rocks (PM value of SUN et al., 1989)

图中显示歪咀山岩体较富集Rb、Sr、Ba、K等大离子亲石元素，亏损Nb、Ta、P等高场强元素。Nb、Ta和Ti具有明显的负异常，可能是由于岩浆残留物含金红石的原因，因为金红石是含Ti的主要矿物之一，并含部分Nb、Ta元素。Nb/Ta值较低(8～27)，说明，Nb和Ta分馏可能发生在早期板块俯冲的环境(CHUNRONG Diwu et al，2011)。Ce具有负异常，Sr/Y值较高(20～76)，平均为50。低Rb/Sr值(0.08～0.14)。原因可能是岩浆源区受古俯冲带流体的交代，反映了火山弧岩浆的特征。高场强元素(HFSE) 丰度较低，大离子亲石元素(LILE) 丰度较高，( Rb /Yb)N值为11.14～78.13，平均为57.27，远大于1，表现为强不相容元素富集型，显示了弧后盆地火山岩的特点(李志强等，2013)。

5　歪咀山片麻状奥长花岗岩岩石成因及构造环境

太古宙TTG岩石的成因是一个热门话题，但目前尚没有通用的模型来解释所有TTG质岩石的成因。一般认为玄武质岩石部分熔融形成TTG岩浆的构造环境主要有2种：俯冲板块的部分熔融和加厚下地壳的部分熔融。太古宙是否存在板块构造仍然存在争议。尽管TTG质岩石产生于含水变质玄武岩的熔融已被广泛接受，但是TTG成因的熔融深度和动力学过程依然存在争论。因此，TTG成因和生成环境研究是早前寒武纪地球动力学研究的一个关键(图7)。

A.非构造带(板块内部稳定构造区)火山岩；B.造山带(岛弧及活动大陆边缘区)火山岩；C.A和B区火山岩派生的碱性岩图7　歪咀山地区TTG片麻状奥长花岗岩logτ-logδ图解(据RITTMANN,1973)Fig.7　logτ-logδ diagrams of gneissic trondhjemite in Waijushan area(from RITTMANN,1973)

CONDIE (1981)是最先将现代板块构造理论应用于TTG岩石来源的学者之一，他指出TTG岩套可能来源于俯冲玄武质洋壳。歪咀山TTG岩石LREE和HREE分异明显、HREE相对亏损以及Eu无异常或轻微负异常，在里特曼-戈蒂里图解上(图7)，样品全部落入B区，说明本区岩石来源较深，系产于活动大陆边缘(火山弧)环境(李志强等，2013)。结合高压板块熔融成因的埃达克岩高Sr低Y含量，高Sr/Y值的典型特征，推测歪咀山片麻状奥长花岗岩的成因和高硅埃达克岩相似。

TTG的成分变化归因于形成时熔融压力的变化(RAPP, R.P et al，2003)，导致源区残留不同矿物相(李孟江等，2012)。歪咀山岩体富集LILE中的Sr，亏损HFSE中的Yb，说明岩浆源区的残留相应以石榴子石矿物相为主；无或微弱的Eu负异常，表明岩浆源区没有明显的斜长石残留。上述特征表明，岩浆应形成于石榴子石而不是斜长石的稳定区域, 反映源区应为高压环境(RAPP et al，2003；MARTIN et al，2005)。HALLA(2009)和MOYEN(2011a)指出TTG质岩石的形成要求洋壳俯冲深度达到50～60 km，对应的压力至少要达到15 kbar以上。ZAMORA(2000)指出高压环境下熔融可产生具有较少的钙质和较多的钠质产物，这是由于高压残留组合钙铝榴石和绿辉石中低Na2O和高CaO含量所致。综上所述歪咀山片麻状奥长花岗岩应形成于洋壳俯冲高压环境。另根据MOYEN(2011a)的TTG分类，高压类型以Al2O3、Na2O 、Sr含量高和Y、Yb、Ta、Nb含量低为特征，也表明源区应为高压环境。

因为Ti等HFSE在角闪石中有很高的分配系数，所以TiO2含量随着SiO2含量增高而呈下降趋势说明岩石熔融过程中存在角闪石残留，或者可能存在富含Ti的矿物相(钛铁矿和榍石)的分离结晶作用。实验也表明在足够使石榴子石和角闪岩稳定的压力下，含水玄武岩中低程度部分熔融可以产生TTG质岩石(MARTIN. H et al，1986；RAPP, R.P et al，1995；FOLEY, S.F et al，2002)。MOYEN(2011)和STEVENS (2006)也指出TTG岩石可能是含水变质玄武岩部分熔融形成的，残留相为角闪岩、含石榴子石的角闪岩或榴辉岩。而FOLEY et al，(2002)认为太古宙岩石低Nb/Ta和高Zr/Sm的比值特征符合含石榴角闪岩残留的成因模式，排除了榴辉岩残留相成因模式。

根据歪咀山岩体岩样地球化学元素构造环境的图解(图8)，可以看出所测岩样数据都是落在各个构造环境判别图解的VAG(火山弧花岗岩)区域内，显示出歪咀山岩体属于火山弧花岗岩，类似现代大洋板片低角度俯冲熔融形成的Adakite岩石。

○.本次工作所测的歪咀山地区片麻状奥长花岗岩样品；△.嵩山地区TTG片麻岩样品(引自周艳艳等，2009)图8　歪咀山地区片麻状奥长花岗岩地球化学组分环境判别图解a-Nb-Y和b-Rb-Y+Nb(据 Pearce等，1984)Fig.8　Geochemical composition of Waijushan gneissic trondhjemite plotted in the tectonic setting discrimination diagrams a-Nb-Y and b-Rb-Y+Nb (from Pearce et al., 1984)

在(Sr/Y)-Y图解上(图9a)大多数样品投在太古宙TTG范围内，个别样品投在岛弧岩石区域，在(La/Yb)N-(Yb)N图解上(图9b)，可以看到所有样品都投在太古宙TTG范围内，在La/Yb-Th/Yb图解中(图10)，样品投在大陆边缘弧，个别样品投在岛弧区域中，说明歪咀山岩体具有大陆边缘弧岩浆岩特征。歪咀山岩体高的Ba/Th(69～215)和Ba/La(11～31)值，以及低的Nb/Ta(8～16)和Ce/Pb(4～13)值，再加上原始地幔标准化蛛网图上Nb、Ti的负异常等地球化学特征，显示出岛弧岩浆岩或陆壳混染岩石特征，说明歪咀山岩体形成于类似现代岛弧环境的构造背景，伴随有岩浆活动，也可能是在陆壳的增生过程中形成。

○.本次工作所测的歪咀山地区片麻状奥长花岗岩样品；△.嵩山地区TTG片麻岩样品(引自周艳艳等，2009)图9　歪咀山地区片麻状奥长花岗岩(a)Sr/Y-Y和(b)(La/Yb)N-YbN图解[(据MARTIN,1993,1994;ATHERTON et al.，1993)Fig.9　(a)Sr/Y-Y和(b)(La/Yb)N-YbN,diagrams of gneissic trondhjemite in Wajjushan area(from MARTIN,1993,1994;ATHERTON et al.,1993)

由MORB部分熔融形成的熔体Mg#一般不超过45。因此Mg#的大小可以灵敏的反应基性岩熔融产物在上升过程中是否受到地幔物质的混染(SMITHIES, 2000)。歪咀山片麻状奥长花岗岩表现出高Mg#(43～55)的特征(图11)，和俯冲环境下的埃达克岩相似，可能在上升过程中受到了地幔物质的混染。歪咀山岩体Ni(21.07～99.65)、Cr(25.45～68.48)含量很高，也可作为俯冲板块与地幔楔相互作用的证据(MARTIN. H et al，1999)。从图11可知样品落入俯冲洋壳板块熔融和加厚下地壳熔融的重叠区域，但根据以上分析，结合岩体岩样表现出的低Y和低HREE，高Sr和Sr/Y值，轻重稀土元素强烈分异，具有Eu的轻微负异常特征歪咀山地区片麻状奥长花岗岩更倾向于属于俯冲洋壳熔融成因，可能是岛弧环境下低角度俯冲的玄武质洋壳板片部分熔融的产物(图11)。

综上所述，歪咀山片麻状奥长花岗岩很可能是俯冲环境下含水玄武质洋壳部分熔融产生的，在洋壳侵位过程中受到地幔楔的混染。反应了新太古宙歪咀山地区处于类似现代大陆边缘弧的构造环境，曾有一次重大地质事件存在。

○.本次工作所测的歪咀山地区片麻状奥长花岗岩样品；△.嵩山地区TTG片麻岩样品(引自周艳艳等，2009)图10　歪咀山地区片麻状奥长花岗岩地球化学组分环境　　判别La/Yb-Th/Yb图解(据 CONDIE，1989)Fig.10　Geochemical composition of Waijushan gneissic trondhjemite plotted in the La/Yb-Th/Yb tectonic setting discrimination diagrams (from CONDIE，1989)

6　结论

(1)歪咀山片麻状奥长花岗岩主微量元素显示其富Na2O(3.1%～5.3%)和SiO2(56.36%～66.98%)，Na2O/K2O取值的范围是1.5～2.3。MgO的含量较高(1.45%～4.96%)，Al2O3整体上质量分数为14.14%～17.32%，A/CNK[Al2O3/( CaO +Na2O+K2O)分子比]=0.84～1.18，平均为1.08，显示该岩体高铝特征。TiO2、Al2O3、MgO、CaO 、P2O5与SiO2含量呈负相关趋势，说明这些片麻状奥长花岗岩来自同一岩浆源区。

图11　歪咀山地区片麻状奥长花岗岩SIO2-MGO和SiO2-Mg#图解(据Zhou,et al,2009)Fig.11　SiO2-MgO and SiO2-Mg# diagrams of gneissic trondhjemite in Waijushan area(from Zhou,et al,2009)

(2)岩石地球化学特征说明歪咀山岩体产于活动大陆边缘弧环境，具有类似于高硅埃达克岩石的地球化学特征。综合分析得出歪咀山岩体是在俯冲环境下含水玄武质洋壳部分熔融形成的，并存在地幔楔不同程度的混染。这一成因机制表明新太古代歪咀山地区可能处于类似现代大陆边缘弧的构造环境，曾有一次重大地质事件存在。

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Genesis and Geological Significance of Waijushan Neo-archean Pluton in Songshan Area

LI Xinglong, SI Rongjun, MAO Guangyu, XIE Xiang

(School of Resources and Environment, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, Henan, China)

Songshan is the typical area in China, where the neo-archean granitic rocks were well exposed. The Waijushan gneissic trondhjemite is mainly distributed in Waijushan, which shows grayish-white colour, with medium-grained granitic texture, gneissic and banded structures. The Waijushan gneissic trondhjemite has high concentrations of Na2O (4.08%～5.30%) and SiO2(average 65%), and poor in Fe and Mg, with high ratio of Na2O/K2O (1.5～3.9) and the content of Al2O3of 14.14%～17.44% (average of 15.33%, larger than 15%), showing the feature of TTG gneiss with peraluminous. It has the similar geochemical characteristics with the high Si Cenozoic adakite, for example, the ΣREE is 121×10-6～267×10-6, the HREE is strongly depleted, and the LREE and HREE are strongly differentiation, with weak negative Eu anomalies, high content of Sr, high ratio of Sr/Y, and low contents of Cr, Yb and Y; It is also similar to island arc volcanics on the relational features among Nb, Y, Rb, Th, La and Yb in the rocks. The geochemical characteristics of the Waijushan pluton shows that it was formed by the partial melting of aqueous basaltic oceanic crust under the high pressure environment during subduction process.

Neo-archean; trondhjemite; geological significance; Waijushan

2014-12-03；

2015-08-13

河南1∶5万大口集(I49E009019)、府店(I49E009020)、江左(I9E010019)、大金店(I49E010020)幅区调(编号：基[2010]矿评01-12-02，项目编号1212011120767)

李兴隆(1991-)，男，硕士研究生，河南平顶山人，地质资源与地质工程专业。研究方向：岩石地球化学。E-mail:1145733627@qq.com

P595

A

1009-6248(2016)01-0050-11