广西浦北五皇山国家地质公园花岗岩地球化学特征及其成因分析

王俐俐 卢炳雄* 罗 丽 黄姣玉 黄平利 禹仪轩 张睿泽

（北部湾大学 资源与环境学院，广西 钦州535000）

1 概述

五皇山以浦北岩体为基础，是大容山- 十万大山花岗岩带的重要组成部分。长期以来，国内外学者从不同角度广泛研究了花岗岩的成因机制及物质来源，其中以MISA（M、I、S 和A 型）成因分类方案为大多数学者所接受[1]。对于岩浆的形成，由于岩浆物理分离和热量平衡的缘故，全部熔融在地幔和地壳都不可能发生。因此不论原岩的性质和岩浆种类怎样，认为岩浆的形成都是部分熔融的结果[2]，而目前普遍认为花岗岩是大陆地壳发展演化的产物[3]，且诱发地壳物质发生熔融的热源主要来自地幔，幔源岩浆以底侵方式囤积在地壳底部附近形成岩浆池，这种囤积作用带来的地幔热源引起下部地壳大规模变质作用，而此次研究区所在的大容山- 十万大山花岗岩源区或许接收了来自地幔的热源，却没有地幔物质的参与，且属于典型的壳源S 型花岗岩[4]，为造山带花岗岩[5]。综合前人通过矿物学[6]、岩石学、年代学和地球化学等[4，7-8]对大容山- 十万大山花岗岩带进行的成因及演化过程研究，本文通过对出露面积较小的五皇山进行地球化学的系统性研究，探讨五皇山花岗岩的特征及其成因，为理解大容山- 十万大山花岗岩带提供新认识。

2 区域地质概况

在扬子和华夏地块结合部的广西东南部大容山、六万大山和十万大山一带分布着大量花岗岩体,包括有原地、半原地混合花岗岩,中深成相中粗粒花岗岩,浅成、超浅成相细粒花岗岩、花岗斑岩等不同产状和结构的花岗岩类岩石，由于它们具有相同性质的物质来源和演化关系,被统称之为“十万大山- 大容山花岗岩带”。该花岗岩带位于广西壮族自治区的东南部，整体呈NE-SW 向展布，一般为一些NE 向的深断裂所分割，受东南博白- 岑溪和西北灵山- 藤县两大断裂影响，分为东、西两个亚带：东亚带，即大容山亚带由深成相的花岗岩体组成，以大容山岩体、浦北岩体、旧州岩体等为代表;西亚带,即十万大山亚带由浅成、超浅成相花岗岩体组成,以台马岩体为代表（图1）。

3 地球化学特征

3.1 主量元素特征

五皇山花岗岩SiO2含量介于71%～75.56%之间，平均值为72.01%，大于65%，具富硅特征，属酸性岩体（表1）；岩石Na2O含量介于0.78%～2.19%之间，平均值为1.79%，K2O 含量介于3.51%～4.49%之间，平均值为4.23%，全碱含量（K20+Na2O）介于5.38%～6.68%之间，平均值为6.02%，含量均较低，K2O/Na2O 值均大于1（1.75～5.90，均值2.73），比值较高，属于钾质系列，岩石里特曼指数σ 为0.33～0.49，远小于3.3，为典型的钙碱性岩石；在ω（SiO2）-ω（K2O）图解中，样品化学投点均位于高钾钙碱性系列- 钙碱性系列区域内（图2a）；岩石Al2O3含量介于10.78%～14.53%之间，平均值为13.30%，铝饱和指数A/CNK 介于1.214～1.543 之间，均大于1.1，在A/CNK-A/NK 图解中，样品全部落入过铝质区域内（图2b）；CIPW 标准矿物中可见刚玉，质量分数为10.78%～14.53%，均值13.3%，均大于1，显示其强过铝特征，在TAS 图解（图3）中，样品落入花岗岩、花岗闪长岩区域。

图2 五皇山花岗岩ω（SiO2）-ω（K2O）图解（底图据Le Maitre，1989 和Rickwood，1989）和A/CNK-A/NK 图解（底图据Maniar et al，1989）

五皇山花岗岩高硅、富碱、富钾，而MgO（1.19%～1.39%，均值1.29%）、Ti2O（0.44%～0.63%，均值0.53%）、MnO（0.07%～0.09%，均值0.08%）、P2O5（0.13%～0.19%，均值0.16%）质量分数低，表明五皇山花岗岩经历的结晶分异作用较强，属于高钾钙碱性系列强过铝质花岗岩。

图3 五皇山花岗岩TAS 图解（底图据Middlemost，1994）

3.2 稀土元素特征

五皇山花岗岩稀土元素总量∑REE=160.87×10-6～199.84×10-6，平均178.33×10-6，稀土总量较高；LREE=143.7×10-6～184.23 ×10-6，HREE=11.72 ×10-6～16.27 ×10-6，LREE/HREE=10.87～12.73，（La/Yb）n=19.58～33.98，表明富集轻稀土，重稀土亏损，轻重稀土分馏明显（表1）；（La/Sm）n=3.42～3.84，（Gd/Yb）n=3.52～5.70，远大于1，表明轻重稀土分馏程度均较高[9]；δCe=0.97～1.00，基本不具备异常，δEu=0.49～0.80，在稀土元素的科里尔图解上，曲线呈现“谷”，属Eu 负异常，反映岩浆分异程度高（图4）。

总体上，五皇山稀土元素球粒陨石配分模式与地壳重熔型花岗岩分配型式相似，具有较高的一致性。

3.3 微量元素特征

五皇山花岗岩明显富集大离子亲石元素Rb、Th、U，而相对亏损Sr、Ba，明显亏损高场强元素Nb、Ta，相对Rb 而言亏损Ba，具有高度的一致性，表明其壳源特征（表2）。Rb、Th、U 是强不相容性元素（图5），在岩浆作用晚期趋于富集，表明五皇山花岗岩岩浆已过高度分异。

表1 五皇山主量（WB/%）、稀土元素（WB/10-6）含量及相关参数

4 讨论

4.1 花岗岩成因类型

目前，花岗岩成因分类方案中实用最多的为MISA（即M、I、S 和A 型）分类方案，认为判断I 型、S 型和A 型三大类型花岗岩的重要矿物学标志分别是角闪石、堇青石和碱性暗色矿物[1]。五皇山花岗岩主量元素具有较高含量ω（SiO2），平均为72.01%，全碱含量较高ω（K20+Na2O）=（5.38%～6.68%），平均值为6.02%，铝饱和指数较高（A/CNK=1.214～1.543）的特点。同时具有低镁（MgO：1.19%～1.39%）、低钛（Ti2O：0.44%～0.63%）、低锰（MnO：0.07%～0.09%）、低磷（P2O5：0.13%～0.19%）的特征，表明其经历了高程度的结晶分异作用。

表2 五皇山微量元素含量（WB/10-6）

在稀土元素组成上，五皇山稀土元素配分型式均为典型的右倾型，具有一致性。其中五皇山花岗岩REE 总量160.87×10-6～199.84 ×10-6， 平 均 178.34 ×10-6，LREE/HREE 为10.87～12.73，（La/Yb）n大于1，轻稀土分馏明显，暗示形成花岗岩的岩浆主要来自上地壳；δEu 平均0.63，属Eu 负异常，反映其岩浆分异程度高。因此，五皇山花岗岩应为高分异花岗岩，岩浆源于上地壳。

研究表明，当花岗岩质岩浆发生分异作用时，元素Li，Rb 等含量会随着花岗质岩浆分异程度的增加而增加，而Cr，Ni,Sr,Ba等元素在残余熔体中含量会降低[10]。五皇山花岗岩富集Rb、Th、U 和亏损Sr、Ba 以及Nb、Zr 等高场强元素，符合S 型花岗岩的微量元素特征；Rb/Sr 比值可以有效反映源区物质的性质，若Rb/Sr＞0.9，则为S 型花岗岩，若Rb/Sr＜0.9，则为I 型花岗岩[11]，而五皇山样品Rb/Sr 介于1.75～3.59 之间，平均2.60，明显大于0.9，属于S 型花岗岩。

4.2 花岗岩物质来源

五皇山稀土元素配分曲线（图4）为典型的右倾型，暗示形成花岗岩的岩浆来自地壳；Eu 的负异常指示着岩浆分异程度高，指示着岩浆可能由低程度的熔融产生，说明岩石可能经历了斜长石的分离结晶作用，大容山部分的Eu 正异常指示着岩浆分异作用不明显，可能与原岩特征、结晶温压有关。在原始地幔微量元素“蛛网图”（图5）上，五皇山相对富集大离子亲石元素Rb、Th、U 等，相对亏损Sr、Nb、Ta 等高场强元素，相对Rb 而言亏损Ba，暗示在岩浆形成过程中或有地壳物质的参与；Rb 的强烈富集暗示岩浆分异作用进行得很充分；而Ba、Sr 的相对亏损指示岩体不是形成于俯冲消减背景下[12]，暗示源区内可能有斜长石矿物的残留或结晶分离的存在，与Eu 的负异常相对应，也暗示其可能是壳源物质低程度部分熔融的产物[13]；Nb 元素的亏损暗示岩体物源可能来自地壳。以上证据表明五皇山与大容山花岗岩源自地壳，经历了高分异演化作用，其岩浆演化过程中可能发生了斜长石的分离结晶作用。

因此，五皇山花岗岩明显富集大离子亲石元素Rb、Th，相对亏损高场强元素Nb、Ta 和Ba、Sr，为右倾型的稀土元素球粒陨石标准化配分模式图，这些特征表明五皇山花岗岩物源以壳源为主。

图4 五皇山稀土元素球粒陨石标准化配分曲线（球粒陨石标准值取自Boynton,1984）

图5 五皇山原始地幔微量元素“蛛网图”（原始地幔标准值取自Sun&McDonough,1989）

5 结论

5.1 五皇山花岗岩表现出轻稀土和大离子亲石元素（LREE和Rb、Th）明显富集,重稀土和高场强元素（HREE 和Ta、Nb）相对亏损的特征，A/CNK 值均大于1.1，标准矿物分子刚玉均大于1%，为高钾钙碱性系列强过铝质S 型岩石。

5.2 五皇山花岗岩在其形成过程中经历了高分异演化作用，Eu 的负异常说明岩浆由低程度的部分熔融产生，岩石经历了斜长石的分离结晶作用，其物质来源以壳源为主。