鲁西地区鲁山片麻状高钾二长花岗岩的成因

马晨晨

(中国科学院大学 计算地球动力学重点实验室，北京 100049)

0 前 言

太古宙花岗质岩石是组成大陆地壳的主要物质，其中太古宙晚期出现的大量富钾花岗岩类被认为是太古宙克拉通化的标志。花岗岩由于源区性质、形成过程和条件不同，表现出明显的多样性，可能和地球动力背景息息相关，对于更好的研究早期大陆地壳的形成和演化至关重要。70%的大陆地壳在前寒武纪早期就已经形成[1-2]，其中绝大部分是由富钠的英云闪长岩—奥长花岗岩—花岗闪长岩(TTG)组成，只有3.0 Ga以后富钾的花岗岩类才明显增加。

然而，富钾花岗岩类的成因一直存在争议，Gültekin Topuz 等[3]认为是上地幔玄武质岩浆诱发的下地壳岩石部分熔融形成，Zhou 等[4]认为是在板内裂谷环境下，来自地幔岩浆的热量导致上覆的英云闪长质—花岗闪长质地壳部分熔融，也有学者认为是俯冲板块流体或者熔体交代后形成的富集地幔部分熔融形成。因此富钾花岗岩类的成因成为亟待解决的科学问题之一。

1 地质背景和岩石学特征

1.1 地质背景

华北克拉通因构造演化复杂、岩石组合多样，长期以来对其形成方式和时间一直存在不同的认识。赵国春等[5-6]提出华北克拉通是由西部陆块、东部陆块和两者之间的华北造山带组成。东部陆块在1.9 Ga处于板内裂谷阶段，随着龙岗地块和郎林地块的碰撞形成了胶辽吉带(图1A)。东部陆块像其他克拉通一样在2.7 Ga经历了快速的地壳增长，同时2.5 Ga的构造热事件也遍及整个华北克拉通。东部陆块中2.7 Ga的绿岩带相对出露较少，主要出露的是2.5 Ga TTG片麻岩、少量富钾质花岗岩类和少量变质火山岩[7]。

鲁西处在华北克拉通东部陆块东缘，呈北西—南东的走向，在东部被郯庐断裂带切割(图1B)[8]。万渝生将鲁西新太古代基底分为东北部晚新太古代(2 490～2 525 Ma)地壳来源的花岗岩带(带A)、中部早新太古代(2.6～2.75 Ga)TTG和表壳岩带(带B)以及西南部晚新太古代(2 500～2 550 Ma)的初生地壳(带C)三个带[9]。最近有研究者在鲁西(带B)识别出来自于富集地幔的赞岐岩、硅质高镁玄武岩和来自于俯冲板片熔体的埃达克岩，同时期的闪长质岩石在带B中也被发现[8]。

1.2 片麻状高钾二长花岗岩的野外岩石学特征

本次研究的片麻状高钾二长花岗岩主要采自鲁山、上五泉、蔡店—辛庄镇、黄庄镇—房家圈—上升科峪一带。在蔡店—辛庄镇、黄庄镇—房家圈—上升科峪岩体呈条带状侵入到混合岩内，规模大小不等，最大的侵入体达到20 km2(图1C)。同时片麻状高钾二长花岗岩中含有块状英云闪长岩捕掳体(图2a)，大小不等，最大的有1 m2，在黄庄镇—房家圈—上升科峪一带以条带状侵入体形式出露在混合岩中的片麻状高钾二长花岗岩内含有大型混合岩捕掳体(图2b)，混合岩的基体为英云闪长岩，脉体为二长花岗岩(图2d)，同时片麻状高钾二长花岗岩中含有大量的角闪石暗色包体和少量的黑云母包体(图2c)。

图1 华北克拉通地质图构造格架(a)；鲁西前寒武纪地质(b)；研究区内片麻状高钾二长花岗岩分布(c)

图2 研究区片麻状高钾二长花岗岩野外地质照片

1.3 片麻状高钾二长花岗岩的地球化学特征

5个具有代表性的片麻状高钾二长花岗岩样品主量元素分析结果列于表1，其表现了高SiO2、K2O、K2O/Na2O的地球化学特征(表1)。在TAS图上，所有样品落入花岗岩区，为亚碱性系列(图3a)。在SiO2对K2O分类图上，所有的样品位于高钾到钾玄岩系列过渡区(图3b)。因此，研究区内岩石属于高钾钙碱性花岗岩。

研究区内片麻状高钾二长花岗岩稀土总量变化很大(9.48～165×10-6)，除16SD84-7样品，其他样品都表现右斜式稀土配分模式(图3c)。在球粒陨石标准化的稀土元素图谱上，除16SD84-7样品之外，其他样品(La/Yb)N值22.11～159.82，表现右斜式稀土配分模式，富集LREE，中稀土到重稀土平坦，表明角闪石为主要残留相，较弱的负Eu(0.56和0.45)异常，说明没有明显的斜长石分离结晶(表1，图3c)，岩浆起源深度应为中下地壳。

表1 代表性样品的岩石地球化学分析数据和相关参数

注：主量元素 wt%；稀土和微量元素10-6。

在原始地幔标准化地微量元素蛛网图上，所有样品都表现Nb、Ti、P的负异常，大离子亲石元素Rb、Ba、K的相对富集，表明源区在部分熔融之前经历了与流体或熔体交代相关的过程(图3d)。

3 岩石成因讨论

鲁西地区鲁山新太古代片麻状高钾二长花岗岩中的暗色包体，在岩体上成群分布，呈现浑圆状和不规则的拉长状，主要是角闪石，还有少量的黑云母暗色包体，稀土图谱(图3a)显示，角闪石为原岩部分熔融的残留相，另外，岩体中含有规模不等的英云闪长岩捕掳体和基体为英云闪长岩脉体为二长花岗岩的混合岩大型捕掳体(图2a,b,d)。因此，混合岩应该是原岩为英云闪长岩原地部分熔融的产物，研究区内片麻状高钾二长花岗岩为混合岩岩浆进一步演化的产角闪石和黑云母暗色包体为伴随着熔融程度增大而形成的残留相。同时，在Al2O3/(FeOtotal+MgO)-3CaO-5K2O/Na2O源岩判别图中，五个样品均落在英云闪长岩区域(图4)，同样说明了英云闪长质岩石的部分熔融形成了高钾二长花岗岩。

图4 研究区岩石源岩判别图

4 结 论

本文重点从样品的野外地质特征以及全岩主微量地球化学特点的角度入手，尝试探讨高钾二长花岗岩的成因。

首先，样品在野外表现为样品中含有大量的角闪石和黑云母暗色包体，且形状不规则，多呈现梭子形。同时，样品中含有英云闪长岩捕掳体以及基体为英云闪长岩脉体为二长花岗岩的混合岩，因此，暗示岩石样品为英云闪长岩部分熔融形成，其中混合岩化的英云闪长岩为英云闪长岩熔融程度较小时的产物，暗色包体为英云闪长岩熔融的残留相。

其次，在全岩地球化学方面，岩石样品表现出了高硅、高钾、低镁的地球化学特征，暗示其为壳源物质的部分熔融，同时在稀土图谱中，样品表现为稀土总量较高，而且亏损中、重稀土，表明角闪石为主要残留相，这与野外观察相一致。

图3 研究区岩石样品主微量特征

最后，岩石样品在Al2O3/(FeOtotal+MgO)-3CaO-5K2O/Na2O源岩判别图中，全部落在了英云闪长岩的部分熔融区，再次验证了本区高钾二长花岗岩为源岩是英云闪长岩发生部分熔融形成。