花岗岩成因类型划分与地球化学图解判别综述

2019-03-07王国辉王志忠严城民

云南地质 2019年1期

王国辉，王志忠，严城民

(1.云南黄金矿业集团股份有限公司，云南昆明 650200；2.云南省地矿局区域地质矿产调查大队，云南玉溪 653100)

花岗岩的成因问题，是地质学、岩石学中讨论最多、争论最激烈的问题之一[1]。20世纪30～60年代，争论的焦点是花岗岩的形成方式。20世纪70年代开始进行花岗岩的成因分析，主要讨论花岗岩的物质来源和形成环境[2]。

我国花岗岩的成因分析始于20世纪80年代初期，主要内容为岩石的成因类型和岩浆活动的板块构造背景。此时，我国1∶200 000区域地质调查已近尾声，1∶50 000区域地质调查全面展开。20世纪末期，开始进行花岗岩浆动力学研究，但此项工作到今也仅限于科研层面，在生产中未能全面开展。

花岗岩的成因类型与板块构造环境有着较为明显的对应关系，是一个问题的两个侧面，同属成因岩石学的范畴。

1 花岗岩的成因类型

花岗岩的成因主要有3种划分方法：S-I-M-A型、壳幔同熔型-陆壳改造型-幔源型、磁铁矿系列-钛铁矿系列[3]。这3种划分方案中，S-I-M-A型应用较广。

在花岗岩的成因分析中，A/NKC比值是判别S型花岗岩(>1.1)与I型花岗岩(<1.1)重要参数之一。A/NKC比值是Al2O3/Na2O+K2O+CaO(分子数)或Al/Na+K+2Ca(原子数)的简写[2、3]。

1.1 S-I-M-A型分类方案

1974年，澳大利亚岩石学家查佩尔和怀特(B.W.Chappell and A.J.R.White)，在研究澳大利亚东部拉克兰褶皱带中的古生代花岗岩时，根据花岗岩的成岩物质来源将花岗岩划分为I型和S型[3]。自此，引发了国际上研究花岗岩成岩物质来源的热潮。经过不断补充完善，最终形成了S-I-M-A型分类方案。

1.1.1 S型花岗岩

S型花岗岩是以壳源沉积物为源岩，经过部分熔融、结晶形成的花岗岩。也就是说，S型花岗岩大致属陆壳改造型。

S型花岗岩是一种过铝质岩石，代表性岩石是堇青石二长花岗岩、二云二长花岗岩。岩石中富含石英、黑云母，含有钛铁矿，并含有数量不等的通过岩浆结晶形成的富铝硅酸盐矿物(如堇青石、硅线石、石榴石、富铝黑云母、白云母、红柱石、黄玉)。

在岩石化学成分上，S型花岗岩富Si(SiO2>67%)、略富碱(Na2O+K2O>6%)，富钾(K2O>Na2O)。一般为铝过饱和类型。Fe3+/Fe2+比值低，δO18值>10‰，87Sr/86Sr初始值为0.709～0.718，通常具有较低的εNd/t值(-4.0～-13.4)。

按花岗岩的A/CNK值，Wyborn等(1981)将S型花岗岩源区分为3个亚类(表1)[3]。花岗岩源区越成熟，岩石的A/CNK值越大。

表1 S型花岗岩的源区类型

1.1.2 I型花岗岩

Ⅰ型花岗岩是幔源物质与壳源物质混合的产物。也就是说，I型花岗岩即壳幔混源型花岗岩。壳幔混源有3种形式：①幔源岩浆与壳源岩浆发生混合作用，②幔源岩浆受到地壳物质的混染，③基底中早先存在的斜长角闪岩(原岩为玄武岩)与变质沉积岩同时发生熔融。

Ⅰ型花岗岩是一系列准铝—弱过铝钙碱性花岗岩岩石的总称。主要岩石种类为：英云闪长岩、花岗闪长岩。岩石主要由石英、斜长石、钾长石、普通角闪石、黑云母组成，黑云母的Mg/Fe比值高。岩石中一般不含白云母。常含普通角闪石、磁铁矿，次要矿物为辉石、绿帘石、褐帘石。

该类岩石较富Si(SiO2>53%)、相对富Na(Na2O > K2O)，A/CNK比值<1.0，Fe3+/Fe2+比值高，δO18值<10‰，87Sr/86Sr初始值<0.709。在微量元素方面，I型花岗岩的斜长石和铁镁矿物中，相容元素Sr、Eu、Mg、Fe等较为富集，不相容元素Rb、F、Ga、Nb、Zr等明显亏损。

I型花岗岩进一步划分为科迪勒拉型花岗岩和加里东型花岗岩。

1.1.3 M型花岗岩

M型花岗岩是基性岩浆分异的产物，代表性岩石为斜长花岗岩，属幔源型花岗岩。

M型花岗岩多为偏铝质的斜长花岗岩，呈小型侵入体与大洋拉斑玄武岩伴生，也可出现在洋内弧中。在蛇绿岩中，M型花岗岩属浅色岩组。在洋岛环境，M型花岗岩常与辉长岩、玄武岩共生。

1.1.4 A型花岗岩

A型花岗岩是由相对高温、碱性、无水的岩浆结晶形成。

A型花岗岩的矿物成分主要为石英、钾长石，斜长石、富铁黑云母较少，有时出现碱性角闪石。钠闪石、钠铁闪石、霓石、霓辉石等碱性暗色矿物含量较高，在富铁的情况下还会出现富铁橄榄石。

A型花岗岩呈弱碱性，高SiO2，富K2O+Na2O，CaO、Al2O3含量较低，Fe /(Fe+Mg)比值较高，K2O / Na2O比值较高，高Fe/Mg、Ga/Al、Zr、 Nb、 Ga、Y、Ce，具碱性和无水特点。这些特征明显区别于I型花岗岩。

1.2 壳幔同熔型-陆壳改造型-幔源型

1982年，徐克勤等[4]提出壳幔同熔型-陆壳改造型-幔源型花岗岩分类方案。

壳幔同熔型花岗岩的岩浆主要为上地幔衍生物，或者是地壳下部岩石部分熔融形成的岩浆。岩浆在上升过程中，同化混染了硅铝物质，或者与由硅铝层熔融的岩浆混合。在华南地区，该类岩石主要发育于中生代，与西太平洋中生代板块活动有成因联系。岩石类型主要为英云闪长岩、花岗闪长岩、二长花岗岩。岩体多呈复式杂岩体，常与同源火山岩共生。壳幔同熔型花岗岩与I型相当。

陆壳改造型花岗岩由活动类型的沉积物或变质沉积岩，经花岗岩化或局部熔融等形式反复改造而成。在华南地区，形成于晚元古代—中生代的各个时期。该类岩石常形成规模较大的岩基，以二长花岗岩为主，没有相应成分的火山岩伴生。陆壳改造型花岗岩与S型花岗岩相当。

幔源型花岗岩的岩浆由上地幔派生。是岩浆在上升过程中，上地幔派生、地壳同熔及混染所形成的混合岩浆。该类岩石与超镁铁质侵入岩、基性火山岩有成因联系。岩石的87Sr/86Sr初始值<0.705，δO18=6.7‰～8.1‰。幔源型花岗岩大致相当于M型花岗岩。

1.3 磁铁矿系列和钛铁矿系列

石原舜三(1977)在研究了东亚Mo-W-Sn金属矿床及日本中生代、新生代花岗岩有关矿产的专属性后，根据不透明矿物的种类和数量，将日本岛弧的花岗岩划分为磁铁矿系列和钛铁矿系列[3]。

磁铁矿系列花岗岩中黑云母含镁高，是镁铁黑云母。岩石的δS34为+0.5‰～+9.1‰，是在高氧逸度条件下形成的。岩石中未掺入含硫的表层物质。岩浆来源深，可能为地壳下部或上地幔，未受到沉积岩中碳质的还原。岩石中磁铁矿类的氧化矿物含量高。黑云母和普通角闪石富镁。磁铁矿系列花岗岩大致相当于I型花岗岩。

钛铁矿系列花岗岩中黑云母镁含量低，铁含量高，属铁质黑云母。岩石的δS34为-2‰～-11‰，是在低氧逸度条件下形成的。在岩石发育史的各阶段，都有含硫的变质沉积物混入。岩浆来源较浅，一般为中部—下部地壳，被沉积岩中的C还原。岩石中不透明氧化矿物少，仅钛铁矿较为常见。钛铁矿系列花岗岩大致相当于S型花岗岩。

S-I-M-A型、同熔型-陆壳改造型-幔源型、磁铁矿系列-钛铁矿系列划分标志不同，但有大致的对比关系(表2)。

表2 花岗岩成因类型划分方案对比

2 板块构造环境

1979年，W.S.Pitcher首先指出花岗岩与构造环境的成因联系，划分出安第斯型、海西型、阿尔卑斯型3种类型，开创了花岗岩成因与构造环境关系研究之先河[2]。从此，花岗岩成因与构造环境的关系开始引起重视。

花岗岩浆活动的板块构造背景一般划分为：火山弧花岗岩(VAG)、板内花岗岩(WPG)、同碰撞花岗岩(S-COLG)、洋中脊花岗岩(ORG)[3]。

对独龙江花岗岩[5]、鲁甸花岗岩[6]、临沧花岗岩[7]、白济汛镁铁—超镁铁岩[8]、长岭岗碱性岩[9]研究后发现，花岗岩的成因类型与岩浆活动的板块构造背景有大致的对应关系。即：S型花岗岩多属同碰撞花岗岩，I型花岗岩一般形成于火山弧环境，M型花岗岩常见于洋中脊环境，A型花岗岩常产于板内裂谷环境。

花岗岩的成因类型、构造环境、构造阶段划分有大致的对应关系(表3)。

表3 花岗岩的成因类型与板块构造环境

3 图解判别

花岗岩的成因与板块构造环境判别分析的依据为地质产状、岩石组合、地球化学特征等。在化学成分特征参数与判别图解中，常量元素应用较广。S型花岗岩与I型花岗岩的判别，是工作的重点与难点。

花岗岩的成因与板块构造环境图解判别较多，在研究中尽量选择多因素(指数)的判别图解，判别图解的投影区尽量不相重叠，投影指数的计算不宜太复杂。此类图解有专著进行介绍，在阅读参考资料中也应注意收集此类资料。

3.1 常量元素的R1-R2图解

R.A.Batchelor(1985)绘制了花岗岩的R1-R2图解(图1)中，图中R1、R2均为原子数的综合数据。该图不仅能判别花岗岩的构造环境，还能分析造山旋回中花岗岩碱质变化及板块碰撞的不同阶段特征[3]。

图1 判别花岗岩成因类型与板块构造环境的R1-R2图解

图1中，各类花岗岩可作如下解释。

(1)地幔分离的花岗岩包括：地幔斜长花岗岩(拉斑玄武岩质花岗岩)-幔源花岗岩(M型花岗岩)。

(2)板块碰撞前花岗岩包括：钙碱性更长花岗岩(消减的活动板块边缘花岗岩)-板块碰撞前消减地区的花岗岩(I型科迪勒拉花岗岩)。

(3)碰撞后抬升的花岗岩包括：高钾钙碱性花岗岩(加里东型深熔花岗岩)-板块碰撞后隆起区的花岗岩(I型加里东花岗岩)。

(4)造山晚期花岗岩包括：二长岩(造山晚期花岗岩-晚造山期花岗岩)。

(5)非造山花岗岩包括：碱性、强碱性花岗岩(非造山区加里东花岗岩)。

(6)同碰撞期花岗岩包括：地壳熔融的花岗岩(同造山花岗岩)-同碰撞花岗岩(S型花岗岩)。

(7)造山期后花岗岩包括：碱性、强碱性花岗岩(造山期后的A型花岗岩。

该图解有2个明显的优点：①参与作图的因数较多，②在图解中可以区分7种不同类型的花岗岩。

3.2 稀土元素分配型式图

稀土元素分配型式图是判别花岗岩成因的重要图解之一(图2)。

图2 长岭岗岩体霓辉霞石正长岩稀土元素分配型式

在作图中，稀土元素的各个分析值分别除于球粒陨石中各个稀土元素的平均值，称为稀土元素分析值的标准化。标准化后的优点是消除了奇偶效应，使稀土元素分配型式图上的曲线变得较为平滑[10、11]。稀土元素标准化后，在元素符号右侧加N为下标。例如：LaN、SmN。

稀土元素标准化的球粒陨石数据主要有4种类型(表4)。

表4 常用稀土元素标准化的球粒陨石数据(单位：×10-6)

注：赫尔曼(1971)球粒陨石平均值为22个球粒陨石和一个9个球粒陨石的组合样的26次测定的平均值。

岩浆岩中，大多数采用赫尔曼(1971)球粒陨石平均值进行标准化。现在，国外多数学者采用增田(1973)数值进行标准化。我国推荐采用高秉璋(1991)数值进行标准化。标准化的数值类型，在报告、说明书、论文中要加于说明。

不同成因的花岗岩，稀土元素分配型式不同有明显差别(表5)。

表5 稀土元素分配型式特征

3.3 微量元素蛛网图

高秉璋等(1991)[2]收集了世界典型地区不同板块构造环境的花岗岩的微量元素蛛网图(图3)。洋脊花岗岩的K2O、Rb的比值≤0.6。不同板块构造环境的花岗岩的微量元素蛛网图特征有明显差别(表6)，可作为判别花岗岩板块构造环境的参考资料。用于标准化的洋脊花岗岩数值见表7。

图3 洋脊花岗岩为标准的花岗岩微量元素蛛网图

表6 不同板块构造环境的花岗岩的微量元素蛛网图特征

表7 洋脊花岗岩的微量元素含量

注：表中含量单位除K2O为%外，其余元素均为10-6。

3.4 非活动元素图解

非活动性元素图解系指Rb-Yb+Ta、Rb-Y+Yb、Ta-Yb、Nb-Y的系列图解(图4)[2]。该图解的原意是判别花岗岩形成的不同构造环境。李昌年(1992)[10]在江西省信江的中生代火山岩研究中，也用此图解进行火山岩的构造环境判别。

图4 判别花岗岩板块构造环境的非活动元素图解

3.5 其他图解

除上述图解外，常见的图解还有ACF图解、Na2O-K2O图解、A/NK-A/CNK图解、QAP图解。

在S-I-M-A型的4种类型的花岗岩中，M型花岗岩与超镁铁岩、镁铁岩共生，A型花岗岩多呈岩株、岩枝状产于板块内部的裂谷带，易于识别和区分。S型花岗岩、I型花岗岩经常成对出现在板块结合带，共同组成复合岩基，较难区分。在此情况下，需要进行ACF图解(图5)。

Na2O-K2O图解(图6)有ACF图解类似的作用，并增加了A型花岗岩的判别功能。Na2O-K2O图解为直角坐标系统，计算和作图较为方便，使用起来较为方便。由于图解判别仅使用Na2O、K2O，图解因素太过于简单，致使部分学者对其判别的准确性产生怀疑。

图5 判别花岗岩成因类型的ACF图解Fig 5.ACF Diagram of Granite Genesis Type Discrimination(仿中田节也，1979；转引自王人镜，1984)

图6 判别花岗岩成因类型的Na2O-K2O图解Fig 6.Na2O-K2O Diagram of Granite Genesis Type Discrimination(据W.J.Collina等，1982；转引自邱家骧，1991)

图7 判别花岗岩化学类型的A/NK-A/CNK图解Fig 7.A/NK-A/CNK Diagram of Granite Chemical Type Discrimination(据Mania and Piccoli，1989)A/CNK比值是Al2O3/Na2O+K2O+CaO(分子数)A/NK比值是Al2O3/Na2O+K2O(分子数)

图8 判别花岗岩成因类型的QAP图解Fig 8.QAP Diagram of Granite Genesis Type Discrimination(据P.B0wden等，1982；转引自邱家骧，1991)Q=石英；A=碱性长石(正长石、微斜长石、条纹长石、歪长石、钠长石，钠长石An<5)；P=斜长石(钠长石，含方柱石，钠长石An>5)

从Al2O3、Na2O、K2O、CaO的质量分数看，花岗岩可划分为过碱性、准铝质、过铝质三个系列，与A型花岗岩、I型花岗岩、S型花岗岩有大致的对应关系。A/NK-A/CNK图解(图7)从划分花岗岩的系列入手，进行花岗岩成因类型分析。

QAP图解(图8)作图的3个端员一般采用标准矿物分子计算结果，也可以采用薄片鉴定结果。该图解同时具有岩石的分类命名和成因类型判别功能。岩石分类命名与国际地科联(TUGS)火成岩分会推荐的方案完全一致。从图解看：二长花岗岩、花岗闪长岩、英云闪长岩、斜长花岗岩中富硅部分属S型花岗岩，贫硅部分属I型花岗岩；钾长花岗岩、碱长花岗岩属A型花岗岩。这种结论是否可靠还需验证。