摘要
嵩山是新太古代 TTG岩石出露的典型地区，新太古代铁里沟花岗岩分布于嵩山地区铁里沟一带，岩石呈灰白色，具中粒花岗结构，片麻状构造，局部发育条带状构造。富 Na2O（1.46%~5.03%）和 SiO2 （平均 75.47%），贫 Fe、Mg，Na2O/K2O 值较高，Al2O3含量为 12.32%~14.95%，显示为过铝质特征。重稀土亏损，轻重稀土强烈分异，Eu出现正异常，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。研究确定了嵩山地区铁里沟花岗岩体为具有 TTG特征的古老侵入岩，是在高压下由俯冲的含水玄武质洋壳部分熔融形成，为阐明华北克拉通南缘结晶基底的形成、属性和演化提供依据。
Abstract
Songshan is the typical Neo-Archean granitic rocks outcrop area in China. The Tieligou gneissic trondhjemite is mainly distributed in Tieligou, with medium-grained granitic texture, gneissic and banded structures. The Tieligou gneissic trondhjemite has high concentrations of Na2O (1.46%-5.03%) and SiO2 (average 75.47%), and poor in Fe and Mg, with high ratio of Na2O/K2O and the content of Al2O3 of 12.32%-14.95%, showing the feature of TTG gneiss with peraluminous. It has the similar geochemical characteristics with the high Si Cenozoic adakite, for example, the LREE and HREE are strongly differentiation, with weak negative Eu anomalies, highcontent of Sr, high ratio of Sr/Y, and low contents of Cr, Yb and Y; It is also similar with island arc volcanics on the relational features among Nb, Y, Rb, Th, La and Yb in the rocks. It has been determined that the Tieligao granite body in the Songshan area is an ancient intrusive rock with TTG characteristics, which was formed by partial melting of aqueous basaltic oceanic crust under the high pressure environment during subduction process. This provides a basis for elucidating the formation, properties, and evolution of the crystalline basement in the southern margin of the North China Craton.
Keywords
0 引言
河南省嵩山地区位于中国最古老的地块之一——华北克拉通的南缘，豫西中部山区的东北部，嵩—箕地块北东部，是揭示中国前寒武纪地质演化的窗口地区之一，该区主要出露前寒武纪基底岩石，以 TTG 片麻岩为主，占出露面积的 70% 以上 （郭安林，1989；涂荫玖，1994；伍家善，1998；周艳艳等，2009a，2009b；司博闻和侯广顺，2022）。且该区矿产资源丰富，相关学者已进行一定的研究（周栋等，2015；王亚伟等，2023；刘培源等，2024）。
古老结晶基底岩性中，常出现 TTG 岩系，即奥长花岗岩（Trondhjemite）-英云闪长岩（Tonalite）-花岗闪长岩（Granodiorite）的统称（Jahn et al.，1981），以富 Na2O、SiO2，贫铁、低 K2O/Na2O 比值为特征 （Smithies and Champion，2000；Smithies，2002）。约 90% 的初始大陆壳是由 TTG 岩系构成（Jahn et al.， 1981；Martin et al.，1983）。研究 TTG 岩石的成因及构造环境可以为早期地壳演化过程及机制提供重要信息（Condie，2005），它还是了解地球早期地壳成分以及太古宙热传输速率的窗口（Jackson et al.， 2005）。因此，TTG 岩系一直受到广泛关注。由于 TTG 是早前寒武纪大陆地壳的主要物质组成，揭示其成因和形成的构造背景对解译早期陆壳增生和构造体制演化至关重要。然而，不同地质历史时期或不同克拉通产出的 TTG特征和成因差异明显，部分还经历了一定程度的分离结晶，可能指示了早期陆壳演化的复杂性和壳幔源区的不均一性。因此，有效甄别 TTG 复杂源区性质和成因是解译地球早期陆壳演化机制和构造体制转型的关键（Zhou et al.，2024）。
关于华北克拉通新太古代地壳增生模式还存在争议。一种观点认为是以洋壳俯冲产生岛弧或安第斯型岩浆作用的陆壳水平增生方式；另一种观点认为是以岩浆底侵作用为特征的陆壳垂直增生方式。2种不同的增生方式不仅对认识早期地壳增生演化的方式具有重要的科学意义，同时不同的增生方式对区域成矿作用的制约影响不同（周艳艳等，2009b；杨崇辉等，2015；Cao et al.，2024）。
本研究选择嵩山地区具有 TTG 特征的铁里沟花岗岩体，通过研究其岩石学和岩石地球化学来探讨其岩石成因和构造演化过程，从而为阐明华北克拉通南缘结晶基底的形成、属性和演化提供依据。
1 区域地质概况
河南省嵩山地区早前寒武纪出露的岩石主要为新太古界登封群表壳岩、TTG 质侵入岩体和古元古界嵩山群，还有一些元古宙的变质基性岩墙及正长花岗岩系列（郭荣鑫，2018）。
新太古界登封群（Ard），主要为斜长角闪片麻岩、斜长角闪片岩等变质岩，分布在登封市君召乡以北的石牌河、老洋沟一带。该地层被古元古界嵩山群不整合接触覆盖。登封群自下而上可以划分3 个组，即郭家窑组（Ar3g）、金家门组（Ar3j）和老羊沟组（Ar3l），其中，郭家窑组岩性主要为黑云斜长片岩、斜长角闪片麻岩夹斜长角闪岩等；金家门组岩性主要为斜长角闪片麻岩、斜长角闪片岩、变质砾岩等；老羊沟组岩性主要为绿泥石英片岩夹变质砾岩、绢云母石英片岩、云英片岩等。
TTG 片麻岩总出露面积约 53.5 km2，各岩体自东向西分布，片麻理南北向延伸。空间上 TTG质片麻岩与登封群表壳岩密切共生，并侵入登封群的西边。
古元古界嵩山群（Pt1s），为一套以碎屑岩为主，夹碳酸盐岩的组合，主要分布于箕山、嵩山一带，其与上覆地层五佛山群和下伏地层登封群均呈角度不整合接触。地层自下而上划分为 4 个组，即罗汉洞组（Pt1l）、五指岭组（Pt1w）、庙坡山组（Pt1m）和花峪组（Pt1h）。其中，罗汉洞组岩性主要为厚层—巨厚层状中细粒石英岩、砾岩、厚层状粗粒石英岩夹绢云石英片岩等；五指岭组岩性主要为绢云石英片岩、绢云片岩、白云岩、千枚岩、石英岩等；庙坡山组岩性主要为石英岩；花峪组岩性主要为绢云石英片岩夹白云岩、千枚岩、石英岩和角砾岩等。
嵩山地区新太古代和中元古代老基底上发生的岩浆活动明显且强烈，主要为二长花岗岩、正长花岗岩、奥长花岗岩、闪长岩。登封群在沉积岩、岩浆岩和变质等岩石建造组合特征等方面与中国五台岩群、绛县岩群都很相似（劳子强和王世炎， 1999）。因此，新太古代时期华北克拉通存在一条近南北向的边缘裂谷带。
铁里沟花岗岩主要分布于江左幅的中部北侧铁里沟附近，出露面积约 19 km2，岩性为正长花岗岩、奥长花岗岩等，岩体北侧被蓟县系兵马沟组 （Jxbm）沉积接触，西侧侵入新太古代海神庙奥长花岗岩（hmγοAr3）岩体中，东侧侵入于三峰寺英云闪长岩（sγδAr3）岩体中，南部被第四系覆盖。岩体中可见大量变辉绿岩、辉绿岩岩脉，老君山石英二长斑岩（ηοπPt2）岩脉及登封群郭家窑组斜长角闪岩残留体（图1）。
1—显生宙地层；2—元古宙地层；3—新太古界登封群老杨沟组；4—新太古界登封群金家门组；5—新太古界登封群郭家窑组；6—中元古代石秤岩体；7—中元古代白家寨岩体；8—古元古代路家沟岩体；9—古元古代老羊坡岩体；10—新太古代北沟岩体；11—新太古代歪咀山岩体； 12—新太古代青羊沟岩体；13—新太古代三峰寺岩体；14—新太古代铁里沟岩体；15—新太古代海神庙岩体；16—新太古代会善寺岩体；17— 正长花岗岩；18—奥长花岗岩；19—斜长角闪片岩；20—变粒岩；21—绢云石英片岩；22—闪长岩；23—不整合接触；24—断层；25—研究区范围
2 样品及岩相学特征
铁里沟花岗岩一般为白色，中粗粒花岗结构 （图2h），片麻状构造以及块状构造，以浅色矿物为主，主要矿物为石英、钾长石，少量为斜长石和白云母。岩石受到较强的碎裂作用，产生大大小小的裂隙，沿大裂隙两边均聚集分布微粒长英质，似脉状，但边界不清，微粒长英质大小 0.018～0.092 mm，少量 0.01～0.1 mm，主要分布于中—细粒长石边部或充填其少量裂隙。矿物裂隙普遍发育，方向不一，边缘常碎粒化，碎粒含量 15%～20%。钾长石常呈不规则板状，粒径大小为 1.2 mm×1.6 mm～1.4 mm× 1.9 mm，少部分为0.82～1.80 mm，均为细粒，个别可达中粒，粒径 1.9 mm×2.5 mm，为微斜长石和条纹长石，其格子双晶常出现弯曲、裂隙和位错。钾长石常包裹细小石英、斜长石，构成包含结构。斜长石呈半自形板柱状或不规则状，粒径大小 0.46 mm× 1.56 mm～0.97 mm×1.51 mm，碎粒化程度较强，可见钠长聚片双晶，双晶纹常弯曲、错开、断裂，切面上均有绢云母、白云母或绿帘石分布，也可见斜长石包含石英，构成包含结构。石英呈他形粒状，粒径大小 0.34 mm×0.56 mm～0.83 mm×0.56 mm，裂纹较发育，出现波状消光，常数粒—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，粒径大小 0.014 mm×0.078 mm～0.074 mm×0.23 mm，两者常几片混杂不均匀分散分布。部分黑云母绿泥石化，个别析出氧化铁。绿帘石少量，常数粒略聚集不均匀分散分布。金属矿物、磷灰石、榍石微量，零星分布。榍石大部分均已白钛石化，仅残留微量。
图2铁里沟花岗岩照片
a—铁里沟正长花岗岩；b—铁里沟花岗岩与三峰寺英云闪长岩界线；c—铁里沟花岗岩与海神庙奥长花岗岩界线；d—铁里沟正长花岗岩内基性岩脉；e—铁里沟岩体内部老君山石英二长斑岩；f—老君山石英二长斑岩露头；g—铁里沟正长花岗岩与斜长角闪片岩界线；h—花岗结构（钾长石内部见有斜长石交代残余）；Qtz—石英；Pl—斜长石；Bt—黑云母
3 分析方法
样品采集制备完成后送山东省地质科学研究院实验室进行测试。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
研究区花岗岩样品的主量元素、微量元素分析结果见表1。岩体 SiO2含量为 73.42%～78.67%，平均含量为 75.47%，显著高于中国花岗岩的平均值 72.26%。Na2O 含量为 1.46%～5.03%，平均含量为 3.54%（3.54% 与中国花岗岩的平均值相同）；K2O 含量为 3.46%～8.09%，平均含量为 4.71%（接近于 4.35%的中国花岗岩平均值）（黎彤等，1998）。岩体总体上具有富钾（K2O>Na2O）、富硅、贫钛（TiO2平均含量为 0.05%）的特征。分异指数 DI 为 90.4%～96.46%，表明研究区岩体分异结晶充分。进行 QAP 图投影，投影结果显示样品全部落入碱长花岗岩中；在SiO2-K2O图解（图3）中，样品落入高钾钙碱性系列，除一个样品落入钾玄岩系列；在铝质-准铝质 （A/CNK）-（A/NK）判别图解（图4）中，其中一个样品 A/CNK<1（0.99）而 A/NK>1（1.07），显示该样品为钙碱性花岗岩类，其余样品 A/CNK>1（1.02～1.65，平均 1.171），显示这些样品为过铝质，且属于弱过铝质—强过铝质范畴。
图4铝质-准铝质A/NK-A/CNK判别图
4.2 微量元素
由表1可知，岩石样品的大离子亲石元素 Ba、 Sr、Rb、K的含量分别是227.1×10-6～1548×10-6、77.72× 10-6～742.2×10-6、 83.71×10-6～254×10-6、 28710.64× 10-6～67129.79×10-6，其平均值分别为 1032.18×10-6、 421.5×10-6、150.94×10-6、39096.81×10-6；而高场强元素Nb、Hf、Ta、Th、Zr、P的含量分别是1.89×10-6～11.93× 10-6、0.33×10-6～0.91×10-6、0.4×10-6～1.6×10-6、1.06× 10-6～6.27×10-6、10.8×10-6～24.87×10-6、43.66×10-6～87.32×10-6，其平均值分别为 4.75×10-6、0.6×10-6、 0.73×10-6、3.03×10-6、17.52×10-6、59.43×10-6。岩石的 Rb、Y、Nb、Th、Ta、Zr 和 Yb 之间的关系特征和岛弧火山岩相似。岩石大离子亲石元素 Ba 明显富集， Sr、K含量较高而高场强元素含量均较低。
在初始地幔标准化图解（图5、图6）中，岩石显示Ta、Nb和Ti的负异常，Sr、Sm表现为正异常，另有微弱的 Ce 负异常，其余无明显异常。Sr/Y 比值高 （6.39～340.91），Rb/Sr 比值低（0.19～0.40），个别样品的 Rb/Sr 比较高（PM041-5 和 PM040-47）可能与含有较多斜长石有关，富Cr、Co、Ni等。
铁里沟花岗岩的稀土总量（ΣREE，不包括Y）为 8.75×10-6～53.46×10-6；轻稀土总量较高，为 7.18× 10-6～44.83×10-6，平均值为 27.15×10-6；重稀土总量较低，为 1.57×10-6～8.63×10-6，平均值为 3.02×10-6； 轻重稀土比值（LREE/HREE）为 4.59～19.29，平均值为 11.03；LaN/YbN为 4.21～25.86，平均值为 14.58； δEu 为 0.71～2.59，平均值为 1.79，大部分样品 Eu 正异常（2.01～2.59），出现微弱的 Eu 负异常（PM041-5，δEu＝0.73；PM040-47，δEu＝0.71），可能与斜长石的结晶分异有关；δCe 为 0.62～1.04，平均值为 0.82；表明铁里沟花岗岩体 LREE、HREE 中等分异的特点。
表1铁里沟花岗岩主量元素（%）、微量和稀土元素分析结果（10-6）
5 讨论
5.1 岩石成因
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。铁里沟TTG岩石LREE和 HREE分异明显、HREE相对亏损，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，推测铁里沟花岗岩的成因和高硅埃达克岩相似。
铁里沟花岗岩副矿物以紫苏辉石、钛铁矿、磁铁矿、磷灰石为主。紫苏灰石的存在表明铁里沟花岗岩源岩岩浆具有深源性，来自于高温高压区；磁铁矿的存在表明铁里沟花岗岩可能是在氧化条件下形成的。因此推测铁里沟花岗岩源岩岩浆具有深源性。
嵩山地区铁里沟花岗岩的微量元素如低的 Rb 含量（平均 150.94×10-6），负的 Ta、Nb 和 Ti 异常，低的Nb/Ta比值影响的镁铁质岩石的该比值与源自俯冲板片脱水产生的流体影响的镁铁质岩石该比值 （约 13）接近（Kamber and Sand，2000），这些特征均显示花岗岩的源岩具有岛弧玄武质岩石的特征 （Sun and McDonough，1989），岩石的 Rb、Y、Nb、Ta、 Th、Yb 和 Zr 丰度及比值特征和岛弧或大陆边缘弧岩浆岩相似。同时 Nb、Ta 和 Ti 的负异常表明具有大陆地壳物质的参与。Ti 元素的亏损以及 Eu 元素正异常等特征，说明该岩体在形成过程中发生了结晶分异，且源区岩浆的斜长石熔融程度较高。
TTG的成分变化归因于形成时熔融压力的变化 （Rapp et al.，2003），导致源区残留不同矿物相（李孟江等，2012）。铁里沟岩体富集 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；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）。 Hlalla （2009）和Moyen（2011）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克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，铁里沟花岗岩应形成于洋壳俯冲高压环境。另外根据 Moyen（2011）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，也表明岩浆源区应为高压环境。
5.2 构造环境
Pitcher（1997）指出花岗岩产出于特定的构造环境，两者有着成因联系，可划分出安第斯型、阿尔卑斯型和海西型 3 种类型，这一研究奠基了花岗岩与构造环境关系的联系。后来 Pearce et al.（1984）认为元素 Y、Yb、Rb、Ba、K、Nb、Ta、Ce、Zr、Hf 和 Sm 可有效区分形成于不同构造环境下的花岗岩，在此基础上提出了一种鉴别花岗岩形成构造背景的地球化学方法，以及相应的判别图解。本文正是采用后者提出的判别图解对花岗岩进行构造环境判别。
铁里沟花岗岩大部分样品有明显Eu异常，出现微弱 Eu 负异常的 2 个样品可能与斜长石的结晶分异有关，U、Nb、P、Ti表现明显亏损的地球化学特征，表现了较强的轻重稀土的分异。高强场元素 K、Ba 等和大离子亲石元素有明显富集，Zr略微富集。由于不同的构造环境对岩石中微量元素的含量和组合都有影响（李昌年，1992；陈道公，1994；赵振华， 1997；韩吟文，2003），因此需要根据花岗岩的成岩模型来判别花岗岩的成岩构造环境（Pearce et al.， 1984；Forster et al.，1997）。
由（Y+Nb）-Rb、Y-Nb、（Yb+Ta）-Rb、Yb-Ta 判别图解（图7）可知，铁里沟花岗岩岩石样品落在了火山岛弧花岗岩-同碰撞花岗岩区域内，并且处于火山岛弧花岗岩和同碰撞花岗岩的分界线上，这与微量元素特征显示的结果是一致的。
太古宙 TTG 质岩系由含水的变玄武质岩石部分熔融而成，但对熔融环境有不同的观点，一种观点为俯冲环境中洋壳的部分熔融（李兴隆等，2016；司荣军等，2016），另一种观点为玄武质下地壳熔融。大多数研究者已经提出板块构造开始于太古宙，在太古宙末期，现代的板块体质已经建立起来并且有了广泛的地质记录（李江海和何文渊，1997）。
不同构造环境对岩石中微量元素的含量和组合都有影响，因此，需要根据花岗岩的成岩模型来判别花岗岩的成岩构造环境。在原始地幔标准化的微量元素蛛网图上，岩石出现一致的 Nb-P-Ti 负异常，该负异常通常代表岩石形成于岛弧环境或者是俯冲环境。且岩石的 Nb、Y、Rb、Ta、Th、La 和 Yb 之间的关系特征显示铁里沟花岗岩体和岛弧火山岩相似（图7），高的 Th/Yb与高的 La/Yb显示岩石与其大陆边缘弧长英质岩石类似（张顺新，2014；张顺新等，2015）。所以铁里沟花岗岩体地球化学特征与显生宙的埃达克岩相似，形成于火山岛弧环境或者是大陆边缘弧。
Syn-COLG—同碰撞花岗岩；WPG—板内花岗岩；ORG—洋中脊花岗岩；VAG—火山岛弧花岗岩
综上所述，铁里沟花岗岩体和新生代埃达克岩类似，其可能是由向下俯冲的含水玄武质洋壳部分熔融而成，形成于活动大陆边缘的构造环境，之后经过剥蚀或者断裂抬升至地表。
6 结论
（1）铁里沟花岗岩为原登封杂岩中新解题出的新太古代变质变形花岗岩体，岩相学和主量元素特征表明其属于低铝 TTG岩系，岩石具有高硅、富碱、贫钙镁、钙碱性的特征，岩石来自同一岩浆源区，并且以结晶分异为主。
（2）岩体稀土元素总量较低，轻重稀土分异明显，轻稀土富集，重稀土亏损；Sr 含量较高，岩石大离子亲石元素Ba、K明显富集，U相对亏损。高场强元素含量均较低，Nb、P相对亏损，Zr略显富集，蛛网图中Eu呈正异常。
（3）铁里沟花岗岩体与岛弧或大陆边缘弧玄武质岩石特征相近，紫苏辉石的存在表明其源岩岩浆来自深源，来自于高温高压区，是在较高温度和压力下由俯冲的含水玄武质洋壳部分熔融形成。
致谢 感谢河南理工大学司荣军教授对论文撰写提供的资料和帮助，也感谢河南省地矿建设集团公司白曙泽副总经理在野外工作期间提供的帮助。
