太古宙TTG的Nb/Ta變化特征：對“Nb-Ta悖論”的啟示*

王丹 郭敬輝 馬旭東

1. 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，自然資源部深地動力學(xué)重點實驗室，北京 1000372. 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，巖石圈演化國家重點實驗室，北京 1000293. 中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京 1000494. 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室，北京 100037

TTG是英文單詞Tonalite-Trondhejmite-Granodiorite首字母的縮寫，最早由Jahnetal. (1981)提出。TTG又稱太古宙灰色片麻巖，是指一套英云閃長巖-奧長花崗巖-花崗閃長巖的巖石組合，主要組成礦物為：石英、斜長石、角閃石和黑云母，幾乎不含鉀長石，副礦物有褐簾石、綠簾石、磷灰石、鈦鐵礦等。TTG的主要地球化學(xué)特征如下：SiO2含量為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，以及明顯的Nb-Ta-Ti的負異常(Martinetal., 2005)。在K-Na-Ca離子三角圖中，現(xiàn)代陸殼的花崗巖類顯示富K的演化趨勢，而太古宙TTG巖顯示富Na的演化趨勢。TTG是太古宙大陸地殼最重要的組成部分，它的成因關(guān)系到地球早期地殼的形成及演化(Condie, 2005; Martin, 1986; Smithies, 2000)。相平衡模擬和微量元素模擬計算結(jié)果顯示，TTG是由含水變質(zhì)基性巖部分熔融形成，殘留相為石榴石角閃巖或者榴輝巖(Foleyetal., 2002, 2003; Moyen and Stevens, 2006; Rappetal., 1991; Weietal., 2017)。關(guān)于TTG形成的構(gòu)造環(huán)境，代表性的觀點為：(1)形成于俯沖帶，來自蝕變洋殼發(fā)生高壓部分熔融形成(Defant and Drummond, 1990; Foleyetal., 2002; Martin, 1986, 1999)；(2)形成于含水的加厚的鎂鐵質(zhì)地殼部分熔融，大部分學(xué)者認為其產(chǎn)于地幔柱的垂向構(gòu)造環(huán)境(Bédard, 2006; Condie, 2005; Smithies, 2000)；Nageletal. (2012)對于微量元素模擬計算結(jié)果顯示，弧性質(zhì)的拉斑玄武巖在10～14kbar發(fā)生部分熔融形成的熔體與TTG成分非常契合，并提出島弧加厚地殼產(chǎn)生早期TTG；(3)下地殼麻粒巖相部分熔融，來自初始物質(zhì)為下地殼成分的實驗巖石學(xué)研究結(jié)果表明，下地殼發(fā)生部分熔融形成TTG質(zhì)熔體，最適合的溫壓條件是800～950℃、10～12.5kbar(對應(yīng)的地殼深度為30～40km)(Qian and Hermann, 2013)，正常的地殼厚度即可以滿足產(chǎn)生TTG的條件，并不一定需要加厚環(huán)境。

由于TTG具有明顯的Nb-Ta-Ti的負異常，因此，有學(xué)者提出TTG的殘留相為金紅石、磁鐵礦或者榍石，這些礦物具有高Ti含量的礦物也是俯沖帶Nb和Ta的最主要的儲庫(Green, 1995; Klemmeetal., 2005; Rappetal., 2003; Schmidtetal., 2004)。Ta在金紅石、鈦鐵礦中的配分系數(shù)高于Nb，說明金紅石殘留，使得對應(yīng)的熔體具有高Nb/Ta比值。而另一方面，有些學(xué)者提出角閃石也是Nb-Ta主要的賦存礦物(Foleyetal., 2002; Tiepoloetal., 2000)。不同成分的角閃石具有不同的Nb-Ta的分配系數(shù)。當富Nb-Ta的低鎂角閃石作為殘留相時，也可以造成對應(yīng)的熔體具有Nb-Ta的虧損。在TTG形成過程中，不同殘留相的存在，可能對應(yīng)于不同的構(gòu)造環(huán)境。因此，有關(guān)TTG的Nb/Ta比值與其成因的聯(lián)系，對于判斷TTG形成的構(gòu)造環(huán)境有重要意義。

Nb和Ta這對孿生地球化學(xué)元素，兩者具有相似的地球化學(xué)性質(zhì)。球粒隕石的Nb/Ta比值為18～20，虧損地幔的Nb/Ta比值略低為11～16，大陸地殼的Nb/Ta比值更低為8～14(Münkeretal., 2003; Rudnicketal., 2000)。因此，需要一個高于球粒隕石端元的儲庫來平衡，這一現(xiàn)象也被稱為“Nb-Ta paradox”。有學(xué)者提出，富Nb端元存在于地核(Münkeretal., 2003)；另外一些學(xué)者提出，榴輝巖具有高Nb/Ta比值，大部分榴輝巖會返回到地幔中，因此，深部地幔是高Nb/Ta的重要儲庫(Rudnicketal., 2000)。而Aulbachetal.(2008)提出榴輝巖本身具有低Nb/Ta比值，金紅石的Hf同位素研究結(jié)果表明，高Nb/Ta比值的榴輝巖是在巖石圈地幔中被交代的結(jié)果。Hoffmannetal. (2011)根據(jù)TTG的主微量元素與同位素變化的關(guān)系，提出地殼分異是造成全球Nb/Ta比值循環(huán)的一個可能因素。他認為，太古宙下地殼麻粒巖相部分熔融形成高Nb/Ta比值的TTG，而中地殼部分熔融形成低Nb/Ta比值的TTG。隨后，Stepanov and Hermann (2013)通過黑云母和多硅白云母的實驗巖石學(xué)工作，提出中下地殼的麻粒巖具有高Nb/Ta比值，可能是重要的富Nb儲庫端元。

本文選擇了華北克拉通陰山地塊高級區(qū)出露的角閃巖-麻粒巖相變質(zhì)的太古宙TTG片麻巖及鎂鐵質(zhì)包體，對兩者開展了黑云母和角閃石的微量元素分析及全巖地球化學(xué)分析，探討太古宙高級變質(zhì)地體中高Nb/Ta比值TTG巖石的成因及下地殼Nb/Ta比值變化的原因。

圖1 華北克拉通構(gòu)造單元劃分圖(a, 據(jù)Zhao et al., 2005改編)和陰山地塊固陽-武川地區(qū)地質(zhì)簡圖及采樣位置(b，據(jù)Ma et al., 2013b修改)鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)來源：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)

1 陰山地塊區(qū)域地質(zhì)背景

華北克拉通基底由三個太古宙微陸塊(東部陸塊、陰山陸塊和鄂爾多斯陸塊)和三個古元古代構(gòu)造帶(孔茲巖帶、中部帶和膠-遼-吉帶)構(gòu)成(圖1a)。陰山地塊位于華北克拉通西北部，是華北克拉通典型的太古宙變質(zhì)基底之一。陰山地塊太古宙基底巖石主要由固陽綠巖帶、新太古代TTG、Sanukitoids、紫蘇花崗巖、麻粒巖組成、鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石和變質(zhì)沉積巖等組成(圖1b, Chen, 2007; Jianetal., 2012; Maetal., 2013a; Wangetal., 2015)。前人在陰山地塊識別出不同期次的巖漿活動，研究區(qū)出露的最古老的TTG巖石為2.70Ga的奧長花崗巖，位于西烏蘭不浪以西的頭號鐵庫地區(qū)(Dongetal., 2012; Maetal., 2013)。在酒館-下濕壕以北、西紅山子地區(qū)、固陽以北地區(qū)出露有2.56～2.50Ma的TTG巖石組合(Jianetal., 2012)。Sanukitoids或高級變質(zhì)的TTG片麻巖主要出露在西烏蘭不浪和固陽一帶，其形成時代介于2.56～2.52Ga之間(Jianetal., 2005; Maetal., 2013b; Zhangetal., 2014; Wangetal., 2018)。Sanukitoids或高級變質(zhì)的TTG片麻巖中的暗色礦物為角閃石、單斜輝石和少量黑云母，野外可以觀察到內(nèi)部含有大量的基性包體(Wangetal., 2018)。麻粒巖-紫蘇花崗巖組合主要位于西烏蘭不浪、陽泰溝和納令溝地區(qū)，原巖形成時代為2.70～2.52Ga(Dong, 2012; Jinetal., 1991)。陰山地塊出露的太古宙巖石普遍記錄了晚太古代末期的區(qū)域角閃巖相-麻粒巖相變質(zhì)作用。對西烏蘭不浪、東伙房和納令溝地區(qū)的紫蘇花崗巖-麻粒巖記錄的近峰期麻粒巖相變質(zhì)作用時代為2.50～2.45Ga，變質(zhì)的溫壓條件是T=600～900℃，P=5～10kbar，并獲得了一條逆時針的P-T軌跡(Jinetal., 1991, 2002; Zhaoetal., 2001, 2006)。在西烏蘭不浪地區(qū)的含藍晶石-石榴石的變泥質(zhì)沉積巖的相平衡模擬計算結(jié)果獲得，藍晶石-石榴石變質(zhì)沉積巖的峰期的壓力是>14kbar，溫度是～850℃，以及峰期后近等溫降壓的P-T軌跡。含藍晶石-石榴石變泥質(zhì)沉積巖的獨居石SIMS年齡獲得的變質(zhì)年代為2520Ma(Wang and Guo, 2017)，說明陰山地塊在晚太古代末期經(jīng)歷了強烈的區(qū)域變質(zhì)作用。

2 樣品描述

本次研究的TTG巖石及包體主要采自陰山地塊固陽-武川的朱拉溝地區(qū)、前腦包村、福順店及大水卜洞地區(qū)(圖1b)，從巖石類型上包括了奧長花崗巖-花崗閃長巖-英云閃長巖(圖2)。這些富Na的TTG質(zhì)巖石主要形成于2.70～2.52Ga(待發(fā)表)，在TTG巖漿結(jié)晶后又疊加了晚太古代2.50～2.49Ga的角閃巖-麻粒巖相的區(qū)域變質(zhì)作用。

圖2 陰山地塊高級變質(zhì)地體中TTG的An-Ab-Or分類圖Group 1：代表TTG具有明顯正Eu異常，明顯虧損重稀土，強烈輕重稀土分異；Group 2：微弱正Eu異常TTG，輕重稀土分異較大；Group 3：無正Eu異常的TTG，輕重稀土分異較大；Group 4：微弱正Eu異常TTG，輕重稀土分異較弱.數(shù)據(jù)待發(fā)表Fig.2 An-Ab-Or diagram for the TTG from the high-grade metamorphic terrane in the Yinshan BlockGroup 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

2.1 TTG及包體的野外地質(zhì)特征

朱拉溝巖體在野外呈粗粒，內(nèi)部發(fā)育有非常豐富的包體類型，包括：同源的角閃輝石巖(圖3a-c)，非同源捕獲的麻粒巖、片麻巖、橄欖巖、蛇紋巖和纖閃石巖包體等(Wangetal., 2020)。同源包體主要表現(xiàn)為朱拉溝巖體與包體之間界限不規(guī)則，兩者過渡地區(qū)發(fā)育有石榴石的冠狀體(圖3d)。兩者之間的成因關(guān)系詳見2.3節(jié)。前腦包地區(qū)的TTG巖類發(fā)生了明顯的變形(圖3e, f)，大水卜洞和壕賴溝巖體為弱變形。前腦包和大水卜洞地區(qū)出露的包體呈團塊狀出露在TTG片麻巖中，包體的巖石類型主要為斜長角閃巖(圖3g)。

2.2 TTG及包體的巖石學(xué)特征

朱拉溝花崗閃長巖在顯微鏡下具有典型的花崗變晶結(jié)構(gòu)，主要由石英、斜長石、鉀長石、斜方輝石、單斜輝石、角閃石、黑云母、石榴石和少量的副礦物(鋯石、磷灰石和磁鐵礦)組成(圖4a, b)。角閃輝石巖包體與朱拉溝花崗閃長巖具有相似的礦物組成，但是礦物比例明顯不同，包體主要由單斜輝石、斜方輝石、角閃石、黑云母和少量的鉀長石、斜長石和磁鐵礦組成(圖4c, d)。前期工作結(jié)果表明，包體中的單斜輝石、斜方輝石、角閃石和黑云母與寄主花崗閃長巖中的礦物成分相似(Wangetal., 2018)。不同點在于鎂鐵質(zhì)包體中的礦物具有較高的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)，而寄主花崗閃長巖中礦物的Cr含量相比較低(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)(Wangetal., 2018)。

圖3 陰山地塊TTG及鎂鐵質(zhì)包體的野外照片(a-d)朱拉溝地區(qū)高級變質(zhì)花崗閃長巖及內(nèi)部鎂鐵質(zhì)包體的野外地質(zhì)特征(改自Wang et al., 2018)；(e、f)前腦包地區(qū)TTG發(fā)生強烈變形；(g、h)大水卜洞地區(qū)TTG巖類及包裹的石榴石斜長角閃巖包體的野外地質(zhì)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

圖4 陰山地塊TTG及鎂鐵質(zhì)包體的顯微鏡下照片(a、b)朱拉溝花崗閃長巖具有花崗變晶結(jié)構(gòu)，主要由石英、斜長石、鉀長石、斜方輝石、單斜輝石、角閃石和黑云母組成；(c)朱拉溝花崗閃長巖與包體接觸界限不規(guī)則；(d)朱拉溝鎂鐵質(zhì)包體主要由與寄主巖石主要成分相近的單斜輝石、斜方輝石、角閃石和黑云母組成(a-d, 改自Wang et al., 2018)(e、f)大水卜洞花崗閃長巖中的斜長角閃巖包體，主要由角閃石、斜長石、黑云母和少量石榴石組成。礦物縮寫：Cpx-單斜輝石；Opx-斜方輝石；Bt-黑云母；Amp-角閃石；Grt-石榴子石；Pl-斜長石；Kfs-鉀長石；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

圖5 朱拉溝花崗閃長巖(a)和鎂鐵質(zhì)包體(b)的鋯石SIMS U-Pb年齡協(xié)和圖(據(jù)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)

圖6 朱拉溝花崗閃長巖和鎂鐵質(zhì)包體的巖漿形成年齡-εNd(t)圖(a)及巖漿鋯石δ18OZrc (‰)值(b)(據(jù)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)

大水卜洞地區(qū)的TTG片麻巖主要由石英、斜長石、角閃石和黑云母組成。包體類型為石榴石斜長角閃巖，顯微鏡下具有粒狀變晶結(jié)構(gòu)，主要組成礦物為角閃石、斜長石、黑云母和少量石榴子石(圖4e, f)。黑云母呈暗紅色，呈殘片狀存在于角閃石的內(nèi)部，指示巖石經(jīng)歷了高角閃巖相變質(zhì)作用。

2.3 TTG與包體的成因聯(lián)系

前期通過對朱拉溝地區(qū)的花崗閃長巖和鎂鐵質(zhì)包體進行的詳細的全巖地球化學(xué)、礦物微量元素、鋯石U-Pb定年和Hf-O同位素的研究，揭示出鎂鐵質(zhì)包體屬于同源包體，更可能代表了巖漿結(jié)晶分異的析離體，而非圍巖的捕虜體(Wangetal., 2018)。主要證據(jù)如下：第一，對鎂鐵質(zhì)包體中的巖漿鋯石進行了SIMS U-Pb定年，得到的207Pb/206Pb加權(quán)平均年齡為2524±3Ma。寄主花崗閃長巖的形成時代為2518±3Ma，兩者在誤差范圍內(nèi)一致(圖5)，說明鎂鐵質(zhì)包體與寄主閃長巖近同時形成。第二，兩者具有相似的全巖Nd同位素εNd(t)組成(圖6a)，此外，盡管鎂鐵質(zhì)包體部分巖漿鋯石受到變質(zhì)作用的影響導(dǎo)致δ18OZrc值降低，但是兩者的巖漿鋯石氧同位素δ18OZrc變化范圍整體在8‰～9‰之間(圖6b)，說明兩者來源于同源巖漿演化。在鎂鐵質(zhì)包體中發(fā)育的長柱狀、板狀的巖漿鋯石，邊部存在一個窄的變質(zhì)增生邊，另一類鋯石為渾圓狀的，陰極發(fā)光具有冷杉葉狀結(jié)構(gòu)或扇形結(jié)構(gòu)的變質(zhì)鋯石(圖5b)。兩類變質(zhì)鋯石給出的變質(zhì)時代為2490±8Ma，晚于巖漿結(jié)晶時代，說明巖石是在成巖后又疊加了晚期的變質(zhì)作用，即巖漿作用在前，變質(zhì)作用在后。巖石中的角閃石、黑云母和輝石應(yīng)該代表了麻粒巖相平衡后的產(chǎn)物。由于朱拉溝地區(qū)的巖石與包體同源關(guān)系清楚，因此，選擇朱拉溝地區(qū)的花崗閃長巖和包體中的暗色礦物進行微區(qū)原位微量元素分析，來探討麻粒巖相過程中，礦物在寄主巖石和同源包體的Nb-Ta變化關(guān)系。

對于腦包村、福順店及大水卜洞地區(qū)出露的斜長角閃巖是否代表部分熔融殘留相或者圍巖捕獲的包體，仍需要進一步的年代學(xué)和同位素工作的制約。從顯微鏡下觀察，大水卜洞地區(qū)的斜長角閃巖中黑云母呈暗紅色、殘片狀、他形分布，指示黑云母發(fā)生了脫水熔融，并且峰期僅有少量黑云母殘留。斜長角閃巖中，單斜輝石發(fā)育較少，斜方輝石未出現(xiàn)，說明角閃石脫水熔融反應(yīng)發(fā)生有限，因此，峰期變質(zhì)過程應(yīng)該有大量角閃石殘留，估算變質(zhì)峰期溫度不超過850℃。該地區(qū)發(fā)育的斜長角閃巖包體與朱拉溝地區(qū)的鎂鐵質(zhì)包體明顯不同，更可能代表了高角閃巖相的熔融殘留體或捕虜體，下文將分別就這兩方面成因進行討論。

3 分析方法

礦物微量元素分析在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的應(yīng)用多接收-電感耦合等離子體質(zhì)譜實驗室完成，型號為美國Agilent公司生產(chǎn)的Agilent7500a四極桿電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Q-ICP-MS)，配備有193nm ArF準分子激光剝蝕系統(tǒng)。本次實驗的激光剝蝕束斑直徑為44～60μm，頻率為8～10Hz，電壓為26kV，激光能量密度約為10J/cm2。實驗采用點剝蝕模式，每個分析點的氣體背景采集時間約為10～15s，信號采集時間為65s。質(zhì)量歧視和元素分餾效應(yīng)校正采用外部標準校正方法。每測定8～10個樣品點測定1個NIST SRM610。各元素濃度的計算同樣采用GLITTER程序，以NIST SRM610作外標，分析不同礦物的內(nèi)標元素不同。黑云母以29Si為內(nèi)標，角閃石以43Ca為內(nèi)標，對應(yīng)的數(shù)值為電子探針分析所得。本文涉及的角閃石和黑云母的微量元素數(shù)據(jù)詳見表1及Wangetal. (2018)。

圖7 朱拉溝地區(qū)花崗閃長巖中角閃石或黑云母的微量元素含量與比值圖(a) Ta-Nb/Ta; (b) Ta-Nb; (c) Cr-Ta; (d) Cr-Nb/Ta; (e) Ti-Ta; (f) Ti-Nb/TaFig.7 Selected trace element compositional variations for the amphibole and biotite in the Zhulagou granodiorite

4 結(jié)果

朱拉溝鎂鐵質(zhì)包體中的角閃石Ta含量介于0.4×10-6～1.1×10-6之間，Nb的變化范圍15×10-6～35×10-6之間，Nb/Ta比值變化范圍為30～50之間(圖7a)。與之相對比，寄主花崗閃長巖中的角閃石具有更低的Ta含量(<0.7×10-6)，略低的Nb含量(11×10-6～30×10-6)，Nb/Ta比值變化范圍在38～70(圖7b)?；◢忛W長巖和鎂鐵質(zhì)包體中的角閃石具有相似的Mg#值，變化范圍在56～63，由于角閃石的Mg#值變化非常小，因此，角閃石的Mg#與Nb/Ta比值沒有相關(guān)性。角閃石的Ta和Cr呈正相關(guān)關(guān)系，Nb/Ta與Cr含量呈負相關(guān)關(guān)系(圖7c, d)。此外，無論是包體還是寄主巖石中的角閃石Nb/Ta比值與Ti含量變化關(guān)系不明顯(圖7e, f)。例如，在鎂鐵質(zhì)包體中隨著角閃石Ti含量的升高，Nb/Ta比值沒有發(fā)生明顯的改變(圖7f)。

朱拉溝地區(qū)花崗閃長巖中黑云母的Nb含量為13.6×10-6～21.4×10-6，Ta含量為0.306×10-6～0.492×10-6。鎂鐵質(zhì)包體中的Nb含量比寄主巖石略高，變化范圍為17.1×10-6～27.0×10-6，Ta含量為0.344×10-6～0.63×10-6。寄主花崗閃長巖和鎂鐵質(zhì)包體具有相似的Nb/Ta比值，變化范圍均為40～50。包體中的黑云母Cr含量(867×10-6～1988×10-6)明顯高于寄主巖石(455×10-6～710×10-6)。黑云母中的其他微量元素如V、Ni、Zn、Ba和Rb等在在包體和寄主巖石中變化范圍接近。

陰山地塊太古宙TTG片麻巖全巖的Nb和Ta的含量分別為0.15×10-6～14.8×10-6和0.01×10-6～0.6×10-6，Nb/Ta比值變化為13～65，平均值為31；斜長角閃巖/麻粒巖包體全巖的Nb和Ta的含量分別為1.86×10-6～12.2×10-6和0.16×10-6～0.6×10-6，Nb/Ta比值變化為10～56，平均值為20。

5 討論

5.1 太古宙TTG和同源鎂鐵質(zhì)包體中角閃石的Nb/Ta分餾

通過對固陽朱拉溝地區(qū)出露的TTG和鎂鐵質(zhì)包體中的角閃石微量元素分析結(jié)果顯示，鎂鐵質(zhì)包體中的角閃石具有更高的Ta和Nb含量，Nb/Ta比值變化范圍為30～50之間(圖7a)。與之相對比，TTG巖石中的角閃石具有更低的Ta和Nb含量，但明顯更高的Nb/Ta比值(38～70)(圖4b)，說明角閃石在TTG和包體中發(fā)生了明顯的分餾。TTG和包體中的黑云母具有相近的Nb/Ta比值，變化范圍在40～50之間，說明黑云母的Nb/Ta在TTG和包體之間不存在明顯的分餾(圖7a, b)。由于單斜輝石和斜方輝石中的Nb和Ta含量都很低，因此，角閃石和黑云母是TTG和包體中最重要的Nb和Ta的載體。黑云母在包體和寄主巖石沒有發(fā)生明顯分餾，但是，角閃石在TTG巖體中具有明顯更高的Nb/Ta比值，因此，角閃石可能是控制兩類巖石全巖Nb/Ta分餾的主要礦物。

前人實驗巖石學(xué)結(jié)果顯示，角閃石/熔體的Nb、Ta和Nb/Ta分配系數(shù)分別是DNb=0.16～0.9，DTa=0.13～0.68，DNb/Ta=0.76～2.81(Lietal., 2017; Tiepoloetal., 2000; Foleyetal., 2002)。角閃石/熔體的Nb/Ta分餾明顯受控于角閃石的結(jié)構(gòu)和熔體的成分(Foleyetal., 2002; Tiepoloetal., 2000)。Tiepoloetal. (2000)開展的實驗巖石學(xué)結(jié)果揭示，Ti主要占據(jù)角閃石的M1位置，角閃石/熔體的DNb與M1位置的DTi具有強烈的正相關(guān)性，而與M2位置的DTi關(guān)系不明顯。M1位置的Ti可以與Fe2+或者Mg2+進行類質(zhì)同象的替換，從而建立了角閃石的Mg#與Nb/Ta的協(xié)變關(guān)系。角閃石/熔體的Nb/Ta隨Mg#的升高而降低，當Mg#超過80時，角閃石的Nb/Ta不再發(fā)生分餾(Foleyetal., 2002)。最近，Lietal. (2017)開展的有關(guān)含水玄武質(zhì)巖石中角閃石的實驗巖石學(xué)研究表明，角閃石/熔體的Nb/Ta分餾與全巖的TiO2含量和fO2關(guān)系不明顯，主要與溫度、熔體成分和H2O含量相關(guān)。角閃石的/熔體的DNb/Ta隨著溫度的降低和熔體H2O含量的降低而不斷升高(Linnen and Keppler, 1997)。在巖漿結(jié)晶過程中，隨著含水量的不斷演化，使得角閃石/熔體之間的Nb/Ta分配系數(shù)也隨之升高(Lietal., 2017; Tiepolo and Vannucci, 2014)。

固陽-武川朱拉溝地區(qū)晚太古代2.52Ga花崗閃長巖中的鎂鐵質(zhì)包體代表了同源巖漿過程中的堆晶產(chǎn)物，兩者具有相似的形成年齡和鋯石氧同位素組成(圖5、圖6, Wangetal., 2018)?；◢忛W長巖和鎂鐵質(zhì)包體共同經(jīng)歷了約2.50～2.49Ga的麻粒巖相變質(zhì)作用(圖5b)，變質(zhì)溫度在>800℃?；◢忛W長巖和鎂鐵質(zhì)包體中的角閃石具有相似的Mg#值，變化范圍在56～63(Wangetal., 2018)，這反映了寄主巖石與包體中的角閃石Nb/Ta分餾與Mg#沒有明顯的相關(guān)性?；◢忛W長巖和鎂鐵質(zhì)包體中角閃石的Cr與Nb、Ta的含量呈正相關(guān)關(guān)系(圖7c)，Cr與Nb/Ta比值呈負相關(guān)關(guān)系(圖7d)，說明角閃石的Cr含量會影響Nb/Ta的分配系數(shù)，越富Cr的角閃石，DNb/Ta越低。無論是花崗閃長巖和鎂鐵質(zhì)包體中的角閃石Ti含量與Nb/Ta比值之間沒有良好的相關(guān)性，說明角閃石Mg#相近的情況下，Nb/Ta比值與Ti含量之間的協(xié)變關(guān)系較弱。此外，花崗閃長巖中的角閃石具有明顯高于球粒隕石的Nb/Ta比值(40～70 vs. 18～20)，說明含高Nb/Ta比值角閃石的母巖漿可能形成于源區(qū)具有高Nb/Ta比值的巖石發(fā)生部分熔融或由麻粒巖相再平衡導(dǎo)致的。

5.2 高Nb/Ta的TTG的成因

太古宙的TTG巖石在地球化學(xué)特征上表現(xiàn)為具有高Na2O特征，明顯的Nb、Ta和Ti的負異常，以及高Sr/Y比值和虧損HREE的特征(Martin, 1999; Martinetal., 2005)。有關(guān)TTG的Nb/Ta比值與其成因之間的聯(lián)系，一直被受關(guān)注。早期，F(xiàn)oleyetal. (2002)發(fā)現(xiàn)大部分TTG具有低于球粒隕石的Nb/Ta比值，因此，提出含金紅石的榴輝巖不是產(chǎn)生TTG的主要源區(qū)，而更可能是加厚地殼的石榴石角閃巖發(fā)生部分熔融形成TTG。Rappetal. (1999, 2003)通過實驗巖石學(xué)的研究，證實了低Nb/Ta比值的含水玄武巖在榴輝巖相發(fā)生部分熔融可以產(chǎn)生TTG熔體，并且角閃石的殘留不能造成明顯的Nb和Ta的負異常。因此，他認為太古代TTG片麻巖是由具有低Nb/Ta比值的含水玄武質(zhì)巖石在榴輝巖相部分熔融產(chǎn)生的。實驗巖石學(xué)研究表明，無水的洋殼發(fā)生榴輝巖相部分熔融不能產(chǎn)生高Nb/Ta的TTG巖漿(Xiongetal., 2005, 2011)。Lietal. (2017)進一步提出，高Nb/Ta比值的TTG是由含金紅石的榴輝巖部分熔融形成，低Nb/Ta比值的TTG為石榴角閃巖部分熔融形成。第二種觀點認為，具有與島弧性質(zhì)相似的綠巖帶中的玄武質(zhì)巖石發(fā)生部分熔融可以產(chǎn)生TTG(Adametal., 2012)，TTG的Nb-Ta的負異常特征是繼承了源區(qū)的性質(zhì)。太古宙下地殼發(fā)生麻粒巖相部分熔融，主要受金紅石或者磁鐵礦控制，金紅石和磁鐵礦這些礦物相比Nb，更富Ta，金紅石、磁鐵礦作為殘留相，使得殘留體具有低Nb/Ta比值，而對應(yīng)的熔體具有高Nb/Ta比值(Hoffmannetal., 2011)?？偨Y(jié)以上觀點，高Nb/Ta比值的TTG的成因可能有：(1)來源于含有金紅石榴輝巖的部分熔融；(2)下地殼麻粒巖相部分熔融，副礦物金紅石和磁鐵礦作為主要殘留相。

對于陰山地塊出露的高Nb/Ta比值的TTG巖石的成因分以下兩種可能性做討論。第一種可能性，斜長角閃巖包體作為捕虜體，則應(yīng)該與陰山地塊大陸下地殼的成分相近，即與TTG源區(qū)成分接近。我們匯總了全球TTG巖石的高精度ICP-MS數(shù)據(jù)結(jié)果，得到TTG具有變化的Nb/Ta比值為1～85，平均值為15.48(數(shù)據(jù)來源于Johnsonetal., 2019, N=304)。對于全球范圍內(nèi)的綠巖帶中的科馬提質(zhì)玄武巖分析結(jié)果顯示，它們具有與TTG相近的Nb/Ta比值(平均值為14)(Jochumetal., 2001)。這些科馬提質(zhì)巖石是太古宙地幔發(fā)生高程度部分熔融的產(chǎn)物，而地幔部分熔融過程，巖漿不會發(fā)生明顯的Nb/Ta分餾，因此，說明太古宙科馬提質(zhì)玄武巖與地幔具有相似的Nb/Ta比值(Lietal., 2017)。陰山地塊固陽地區(qū)的斜長角閃巖/基性麻粒巖包體具有變化的Nb/Ta比值，變化范圍為10～56(圖8)。通常情況下，地幔部分熔融形成基性巖石，會繼承地幔的Nb/Ta比值，例如，科馬提質(zhì)玄武巖的Nb/Ta平均值為15左右。陰山地塊出露的斜長角閃巖和麻粒巖Nb/Ta比值明顯偏高，這些巖石作為下地殼的主要巖石載體，說明它們受到了后期的改造，導(dǎo)致Nb/Ta發(fā)生變化。當它們再次發(fā)生部分熔融時，會產(chǎn)生Nb/Ta比值變化的TTG熔體。陰山地塊斜長角閃巖/麻粒巖的Nb/Ta比值變化為10～56，而TTG巖石的Nb/Ta比值變化范圍為13～65，平均值為31(圖8)。因此，我們認為TTG熔體中變化的Nb/Ta比值是繼承了源區(qū)斜長角閃巖或者麻粒巖具有變化的Nb/Ta比值的特征。

第二種可能性，斜長角閃巖或麻粒巖包體作為部分熔融的殘留體。在發(fā)生部分熔融時，殘留體中通常含有金紅石或者磁鐵礦，金紅石和磁鐵礦相對于Nb更富集Ta，因此，Ta會全部進入殘留體，進入熔體中的Ta會非常低，導(dǎo)致熔體中具有高Nb/Ta比值，而殘留體具有低Nb/Ta比值，也就是說部分熔融過程，會使得麻粒巖殘留體具有更低的Nb/Ta比值。目前，陰山地塊的斜長角閃巖/麻粒巖具有變化的Nb/Ta比值(10～56)。鑒于它們本身具有較高Nb/Ta比值，當斜長角閃巖/麻粒巖作為殘留體存在，說明在熔體抽取之前，原始的斜長角閃巖/麻粒巖應(yīng)該具有更高的Nb/Ta比值。也支持上述觀點，即高Nb/Ta比值的TTG巖石源于高Nb/Ta比值的斜長角閃巖/麻粒巖部分熔融。

圖8 陰山地塊TTG與鎂鐵質(zhì)包體的全巖主量元素和微量元素比值圖(a) Zr/Sm-Nb/Ta；(b) SiO2-Nb/Ta. 數(shù)據(jù)待發(fā)表. ZLG-朱拉溝;DM-虧損地幔；CC-大陸地殼；CHUR-球粒隕石均一化儲庫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

通過上述研究結(jié)果，我們認為，高Nb/Ta比值的TTG具有多種成因，并不能與含金紅石的榴輝巖相部分熔融建立直接的成因聯(lián)系。也就是說高Nb/Ta比值TTG并不一定來自含金紅石的榴輝巖部分熔融形成，高Nb/Ta的TTG可以由被改造的具有高Nb/Ta比值的下地殼斜長角閃巖/麻粒巖發(fā)生部分熔融形成。

圖9 不同礦物Nb-Ta的分配系數(shù)(a)與地殼富黑云母/角閃石的殘留體發(fā)生部分熔融形成高Nb/Ta比值熔體(b, 據(jù)Stepanov and Hermann, 2013修改)礦物縮寫：Cpx-單斜輝石；Phl-金云母；Amp-角閃石；Bt-黑云母；Phe-多硅白云母；Rt-金紅石；Ilm-鈦鐵礦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

5.3 下地殼巖石Nb/Ta變化的可能原因

在太古宙低級變質(zhì)的TTG片麻巖中，黑云母和角閃石通常作為主要的暗色礦物。最新的實驗巖石學(xué)研究結(jié)果顯示，在熔體與黑云母/多硅白云母中，黑云母/多硅白云母、低鎂角閃石會優(yōu)先富集Nb，使得DNbmineral-melt/DTamineral-melt>1(圖9a, Stepanov and Hermann, 2013)。因此，由黑云母和角閃石參與的地殼部分熔融會導(dǎo)致Nb/Ta的分餾。假設(shè)初始部分熔融的巖石具有與球粒隕石相似的Nb/Ta比值為18，巖石在中部地殼發(fā)生部分熔融，形成的富黑云母的殘留體具有高Nb/Ta比值(30)，對應(yīng)的熔體則具有低Nb/Ta比值(10)。當富黑云母的殘留體在下地殼再次發(fā)生角閃巖-麻粒巖相部分熔融時，黑云母發(fā)生分解，富Ta的金紅石或者磁鐵礦作為殘留體，Ta進入金紅石或磁鐵礦，進入熔體的Ta含量非常低，導(dǎo)致熔融形成的熔體則具有高Nb/Ta比值(圖9b)。因此，太古宙富黑云母的巖石發(fā)生部分熔融，可以形成高Nb/Ta比值的TTG熔體。同樣，部分低鎂的角閃石也具有高的DNbmineral-melt/DTamineral-melt>1，富角閃石的殘留體再次發(fā)生部分熔融時候，當輝石、金紅石或磁鐵礦作為殘留相的時候，大部分Ta會進入殘留相，而導(dǎo)致熔體中Nb-Ta分餾，使得熔體具有高Nb/Ta比值。這說明由黑云母和角閃石參與的地殼分異過程會導(dǎo)致Nb/Ta的分餾，中下地殼富集黑云母和角閃石的殘留體及高級變質(zhì)的TTG可能是硅酸鹽地球中一個重要的高Nb/Ta的儲庫(Stepanov and Hermann, 2013; Tiepolo and Vannucci, 2014)。

另一方面，由于富Ti的多硅白云母相對于Ta會優(yōu)先富集Nb(圖9a)，因此，俯沖帶的沉積物或者蝕變洋殼在發(fā)生不斷脫水的過程中，Nb會優(yōu)先進入到多硅白云母中，使得含多硅白云母的殘留的片巖或榴輝巖具有高Nb/Ta比值。含有金紅石的榴輝巖是在多硅白云母脫水之后另外一個富Nb-Ta的儲庫，可以進入到地幔更深處(Chen and Zheng, 2015)。含多硅白云母的變質(zhì)沉積巖或者洋殼俯沖至較深的地幔，并發(fā)生多硅白云母脫水部分熔融時，形成的熔體/流體會繼承多硅白云母高Nb/Ta比值的特點，可以解釋部分島弧巖漿具有富K和富Nb的特征(Liu and Gao, 2007; Stepanov and Hermann, 2013)。上述過程表明，含多硅白云母的變質(zhì)沉積巖或榴輝巖在深俯沖過程發(fā)生脫水熔融，會釋放高Nb/Ta的熔體或者流體。無論這些熔體是直接進入地殼，或者先進入地幔，地幔再發(fā)生部分熔融進入地殼，都會攜帶高Nb/Ta比值的熔體和流體。這些熔/流體不斷交代和改造下地殼麻粒巖或斜長角閃巖的成分，使其具有高Nb/Ta比值。當被改造的下地殼巖石再次發(fā)生部分熔融，會形成具有高Nb/Ta比值的熔體。綜上，我們提出，大陸中下地殼的Nb/Ta比值不僅明顯受到黑云母和角閃石脫水過程的影響，也可能受到來自俯沖帶釋放的熔/流體的交代作用影響。不斷分異并被改造的中下地殼可能是作為高Nb/Ta比值的一個重要的端元。黑云母和角閃石在大陸地殼部分熔融過程中的Nb-Ta變化行為，及其與殘留相之間Nb-Ta分配系數(shù)是控制大陸下地殼Nb/Ta比值發(fā)生變化的關(guān)鍵。

6 結(jié)論

本文通過對于華北克拉通陰山地塊角閃巖-麻粒巖相變質(zhì)TTG及鎂鐵質(zhì)包體的全巖主微量元素分析，及同源鎂鐵質(zhì)包體與寄主巖石的暗色礦物黑云母和角閃石的微量元素分析結(jié)果，得到以下結(jié)論：

(1)陰山地塊朱拉溝地區(qū)的花崗閃長巖及鎂鐵質(zhì)包體中的角閃石具有相近的Mg#值，巖體中的角閃石具有較低的Cr和Ta含量和高Nb/Ta比值，而同源的鎂鐵質(zhì)包體中的角閃石更富Cr和Ta，具有略低Nb/Ta比值。角閃石的Nb/Ta比值與Cr含量具有較好的相關(guān)性。

(2)陰山地塊TTG片麻巖普遍具有高Nb/Ta比值，斜長角閃巖和麻粒巖包體具有變化的Nb/Ta比值。陰山地塊高Nb/Ta的TTG片麻巖可能來自高Nb/Ta比值的下地殼斜長角閃巖或麻粒巖的部分熔融，從而繼承了源區(qū)高Nb/Ta的特征。

(3)下地殼富角閃石或黑云母的巖石及部分TTG巖石可能是硅酸鹽地球中高Nb/Ta比值的一個重要儲庫。下地殼富黑云母/角閃石的巖石部分熔融是會導(dǎo)致地殼Nb/Ta比值分異，并形成高Nb/Ta比值的熔體；含多硅白云母的變質(zhì)沉積巖或榴輝巖在俯沖過程發(fā)生脫水熔融，釋放高Nb/Ta的熔/流體可以進入下地殼并使其Nb/Ta比值升高。

致謝感謝北京大學(xué)劉樹文教授和中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所萬渝生研究員對文章提出的專業(yè)性評審意見，使得文章具有更清晰的研究思路和更深入的思考。感謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所錢青研究員與作者有益的交流和討論，并對本文提出了建設(shè)性的修改意見。文章是基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)結(jié)果得到的認識，文中仍有很多問題值得在今后的工作中不斷更正和突破。實驗室工作得到中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所楊岳衡、吳石頭的幫助，野外工作得到中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所黃廣宇、劉鵬和歐陽東劍的幫助，在此一并表示最誠摯的感謝。

祝賀沈其韓院士百年華誕，福壽無疆！