基性岩高温-超高温变质作用与TTG质岩成因

变质基性岩在高温-超高温下部分熔融可以形成TTG(英云闪长质-奥长花岗质-花岗闪长质)质熔体,有关熔融反应机理、熔体地球化学特征以及太古宙TTG质岩石成因问题备受国内外学者关注。本文基于对相关实验岩石学研究的总结,结合基性岩高温-超高温相平衡的模拟计算,分析了变质基性岩(斜长角闪岩)深熔变质反应过程、P-T条件及其与TTG质岩石成因的联系。变质基性岩高温-超高温深熔作用主要受角闪石脱水熔融反应控制。在1.0GPa以下的无石榴石域,角闪石分解反应主要为:角闪石=单斜辉石+斜方辉石+斜长石+熔体(R1),该反应为多变滑动反应,以斜方辉石出现(800℃)和角闪石消失(1000~1100℃)为标志,其滑动温度范围超过200~300℃。实验岩石学确定的斜长角闪岩开始熔融或缺流体固相线大致相当于斜方辉石出现温度。实际上角闪石脱水熔融反应是从饱和水固相线开始的,反应为:角闪石+石英=单斜辉石+斜长石+熔体(R1a),开始有黑云母参与熔融反应,但该反应对熔体贡献有限。在1.0GPa以上的石榴石域,不同实验所确定的石榴角闪岩缺流体固相线温度主要介于800~900℃之间,固相线表现为正斜率、负斜率、或者为与压力无关的直线等不同结果。相平衡模拟计算表明在石榴石稳定域角闪石脱水熔融反应为较陡的负斜率,分为两部分:当有斜长石存在时,反应为角闪石+斜长石+石英=石榴石+单斜辉石+熔体(R2),低温部分有白云母、绿帘石参与反应。该反应从饱和水固相线(约630℃)开始,到角闪石消失(超过1000℃),滑动温度范围可超过400℃,跨越石榴角闪岩亚相与角闪高压麻粒岩亚相范围;在斜长石消失后角闪石脱水熔融反应为角闪石+石英=石榴石+单斜辉石+熔体(R2a),低温部分有绿帘石、白云母参与熔融反应,该反应从饱和水固相线(约650℃)开始,到角闪石消失(超过900℃),滑动温度范围可超过200~300℃。角闪石脱水熔融反应形成的无水残余物形成麻粒岩和榴辉岩,无水麻粒岩的峰期温度会超过1000℃,由于降温过程中的退变质演化,如超固相线下滞留熔体与残余物之间发生的深熔反应的逆反应,以及在亚固相线下离子交换反应,导致大多数麻粒岩只记录缺流体固相线组合与退变质温度。基性岩部分熔融的熔体成分取决于全岩成分、P-T条件及熔融程度。当熔融程度很低时(如小于5%)可形成富钾花岗质熔体,随着熔融程度增加,熔体成分可转变为奥长花岗质(如5%~20%)和英云闪长质(如大于20%),部分熔融的熔体成分受全岩成分影响很大,只有相对富钾的基性岩才能形成花岗闪长质到石英二长质熔体。太古宙TTG质岩石表现出富Sr、低Y、Yb、Nb、Ta、Ti以及稀土分馏程度高等地球化学特征,要求部分熔融压力较高,残余物中有石榴石(及金红石)存在。争论的焦点是部分熔融究竟发生在石榴角闪岩亚相(及角闪高压麻粒岩亚相),还是发生在榴辉岩相。对此,不同实验给出的不同结论应该与源岩地球化学特征不同有关。考虑到TTG质岩石的可能源岩如太古宙科马提岩和玄武岩地球化学特征的多样性,TTG质岩石本身地球化学特征上的差异也许不能完全指示熔融发生的P-T条件。综合实验岩石学和相平衡模拟结果,本文确定TTG质岩石是由基性岩在角闪石和石榴石共同稳定域由角闪石脱水熔融反应R2和R2a在角闪高压麻粒岩亚相和角闪榴辉岩亚相形成的,P-T条件为1.0~2.5GPa和800~1000/1100℃。角闪高压麻粒岩亚相相对应的地热梯度为15~25℃/km,角闪榴辉岩亚相对应的地热梯度为10~15℃/km。TTG质岩石形成的构造环境不能简单对应发生在显生宙的洋壳热俯冲带、碰撞造山带和洋底高原等。

HT-UHT metamorphism of metabasites and the petrogenesis of TTGs