花崗巖成因類型劃分與地球化學圖解判別綜述

王國輝，王志忠，嚴城民

(1.云南黃金礦業(yè)集團股份有限公司，云南 昆明 650200；2.云南省地礦局區(qū)域地質礦產調查大隊，云南 玉溪 653100)

花崗巖的成因問題，是地質學、巖石學中討論最多、爭論最激烈的問題之一[1]。20世紀30～60年代，爭論的焦點是花崗巖的形成方式。20世紀70年代開始進行花崗巖的成因分析，主要討論花崗巖的物質來源和形成環(huán)境[2]。

我國花崗巖的成因分析始于20世紀80年代初期，主要內容為巖石的成因類型和巖漿活動的板塊構造背景。此時，我國1∶200 000區(qū)域地質調查已近尾聲，1∶50 000區(qū)域地質調查全面展開。20世紀末期，開始進行花崗巖漿動力學研究，但此項工作到今也僅限于科研層面，在生產中未能全面開展。

花崗巖的成因類型與板塊構造環(huán)境有著較為明顯的對應關系，是一個問題的兩個側面，同屬成因巖石學的范疇。

1 花崗巖的成因類型

花崗巖的成因主要有3種劃分方法：S-I-M-A型、殼幔同熔型-陸殼改造型-幔源型、磁鐵礦系列-鈦鐵礦系列[3]。這3種劃分方案中，S-I-M-A型應用較廣。

在花崗巖的成因分析中，A/NKC比值是判別S型花崗巖(>1.1)與I型花崗巖(<1.1)重要參數之一。A/NKC比值是Al2O3/Na2O+K2O+CaO(分子數)或Al/Na+K+2Ca(原子數)的簡寫[2、3]。

1.1 S-I-M-A型分類方案

1974年，澳大利亞巖石學家查佩爾和懷特(B.W.Chappell and A.J.R.White)，在研究澳大利亞東部拉克蘭褶皺帶中的古生代花崗巖時，根據花崗巖的成巖物質來源將花崗巖劃分為I型和S型[3]。自此，引發(fā)了國際上研究花崗巖成巖物質來源的熱潮。經過不斷補充完善，最終形成了S-I-M-A型分類方案。

1.1.1 S型花崗巖

S型花崗巖是以殼源沉積物為源巖，經過部分熔融、結晶形成的花崗巖。也就是說，S型花崗巖大致屬陸殼改造型。

S型花崗巖是一種過鋁質巖石，代表性巖石是堇青石二長花崗巖、二云二長花崗巖。巖石中富含石英、黑云母，含有鈦鐵礦，并含有數量不等的通過巖漿結晶形成的富鋁硅酸鹽礦物(如堇青石、硅線石、石榴石、富鋁黑云母、白云母、紅柱石、黃玉)。

在巖石化學成分上，S型花崗巖富Si(SiO2>67%)、略富堿(Na2O+K2O>6%)，富鉀(K2O>Na2O)。一般為鋁過飽和類型。Fe3+/Fe2+比值低，δO18值>10‰，87Sr/86Sr初始值為0.709～0.718，通常具有較低的εNd/t值(-4.0～-13.4)。

按花崗巖的A/CNK值，Wyborn等(1981)將S型花崗巖源區(qū)分為3個亞類(表1)[3]?；◢弾r源區(qū)越成熟，巖石的A/CNK值越大。

表1 S型花崗巖的源區(qū)類型

1.1.2 I型花崗巖

Ⅰ型花崗巖是幔源物質與殼源物質混合的產物。也就是說，I型花崗巖即殼?；煸葱突◢弾r。殼幔混源有3種形式：①幔源巖漿與殼源巖漿發(fā)生混合作用，②幔源巖漿受到地殼物質的混染，③基底中早先存在的斜長角閃巖(原巖為玄武巖)與變質沉積巖同時發(fā)生熔融。

Ⅰ型花崗巖是一系列準鋁—弱過鋁鈣堿性花崗巖巖石的總稱。主要巖石種類為：英云閃長巖、花崗閃長巖。巖石主要由石英、斜長石、鉀長石、普通角閃石、黑云母組成，黑云母的Mg/Fe比值高。巖石中一般不含白云母。常含普通角閃石、磁鐵礦，次要礦物為輝石、綠簾石、褐簾石。

該類巖石較富Si(SiO2>53%)、相對富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型花崗巖的斜長石和鐵鎂礦物中，相容元素Sr、Eu、Mg、Fe等較為富集，不相容元素Rb、F、Ga、Nb、Zr等明顯虧損。

I型花崗巖進一步劃分為科迪勒拉型花崗巖和加里東型花崗巖。

1.1.3 M型花崗巖

M型花崗巖是基性巖漿分異的產物，代表性巖石為斜長花崗巖，屬幔源型花崗巖。

M型花崗巖多為偏鋁質的斜長花崗巖，呈小型侵入體與大洋拉斑玄武巖伴生，也可出現在洋內弧中。在蛇綠巖中，M型花崗巖屬淺色巖組。在洋島環(huán)境，M型花崗巖常與輝長巖、玄武巖共生。

1.1.4 A型花崗巖

A型花崗巖是由相對高溫、堿性、無水的巖漿結晶形成。

A型花崗巖的礦物成分主要為石英、鉀長石，斜長石、富鐵黑云母較少，有時出現堿性角閃石。鈉閃石、鈉鐵閃石、霓石、霓輝石等堿性暗色礦物含量較高，在富鐵的情況下還會出現富鐵橄欖石。

A型花崗巖呈弱堿性，高SiO2，富K2O+Na2O，CaO、Al2O3含量較低，Fe /(Fe+Mg)比值較高，K2O / Na2O比值較高，高Fe/Mg、Ga/Al、Zr、 Nb、 Ga、Y、Ce，具堿性和無水特點。這些特征明顯區(qū)別于I型花崗巖。

1.2 殼幔同熔型-陸殼改造型-幔源型

1982年，徐克勤等[4]提出殼幔同熔型-陸殼改造型-幔源型花崗巖分類方案。

殼幔同熔型花崗巖的巖漿主要為上地幔衍生物，或者是地殼下部巖石部分熔融形成的巖漿。巖漿在上升過程中，同化混染了硅鋁物質，或者與由硅鋁層熔融的巖漿混合。在華南地區(qū)，該類巖石主要發(fā)育于中生代，與西太平洋中生代板塊活動有成因聯系。巖石類型主要為英云閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖。巖體多呈復式雜巖體，常與同源火山巖共生。殼幔同熔型花崗巖與I型相當。

陸殼改造型花崗巖由活動類型的沉積物或變質沉積巖，經花崗巖化或局部熔融等形式反復改造而成。在華南地區(qū)，形成于晚元古代—中生代的各個時期。該類巖石常形成規(guī)模較大的巖基，以二長花崗巖為主，沒有相應成分的火山巖伴生。陸殼改造型花崗巖與S型花崗巖相當。

幔源型花崗巖的巖漿由上地幔派生。是巖漿在上升過程中，上地幔派生、地殼同熔及混染所形成的混合巖漿。該類巖石與超鎂鐵質侵入巖、基性火山巖有成因聯系。巖石的87Sr/86Sr初始值<0.705，δO18=6.7‰～8.1‰。幔源型花崗巖大致相當于M型花崗巖。

1.3 磁鐵礦系列和鈦鐵礦系列

石原舜三(1977)在研究了東亞Mo-W-Sn金屬礦床及日本中生代、新生代花崗巖有關礦產的專屬性后，根據不透明礦物的種類和數量，將日本島弧的花崗巖劃分為磁鐵礦系列和鈦鐵礦系列[3]。

磁鐵礦系列花崗巖中黑云母含鎂高，是鎂鐵黑云母。巖石的δS34為+0.5‰～+9.1‰，是在高氧逸度條件下形成的。巖石中未摻入含硫的表層物質。巖漿來源深，可能為地殼下部或上地幔，未受到沉積巖中碳質的還原。巖石中磁鐵礦類的氧化礦物含量高。黑云母和普通角閃石富鎂。磁鐵礦系列花崗巖大致相當于I型花崗巖。

鈦鐵礦系列花崗巖中黑云母鎂含量低，鐵含量高，屬鐵質黑云母。巖石的δS34為-2‰～-11‰，是在低氧逸度條件下形成的。在巖石發(fā)育史的各階段，都有含硫的變質沉積物混入。巖漿來源較淺，一般為中部—下部地殼，被沉積巖中的C還原。巖石中不透明氧化礦物少，僅鈦鐵礦較為常見。鈦鐵礦系列花崗巖大致相當于S型花崗巖。

S-I-M-A型、同熔型-陸殼改造型-幔源型、磁鐵礦系列-鈦鐵礦系列劃分標志不同，但有大致的對比關系(表2)。

表2 花崗巖成因類型劃分方案對比

2 板塊構造環(huán)境

1979年，W.S.Pitcher首先指出花崗巖與構造環(huán)境的成因聯系，劃分出安第斯型、海西型、阿爾卑斯型3種類型，開創(chuàng)了花崗巖成因與構造環(huán)境關系研究之先河[2]。從此，花崗巖成因與構造環(huán)境的關系開始引起重視。

花崗巖漿活動的板塊構造背景一般劃分為：火山弧花崗巖(VAG)、板內花崗巖(WPG)、同碰撞花崗巖(S-COLG)、洋中脊花崗巖(ORG)[3]。

對獨龍江花崗巖[5]、魯甸花崗巖[6]、臨滄花崗巖[7]、白濟汛鎂鐵—超鎂鐵巖[8]、長嶺崗堿性巖[9]研究后發(fā)現，花崗巖的成因類型與巖漿活動的板塊構造背景有大致的對應關系。即：S型花崗巖多屬同碰撞花崗巖，I型花崗巖一般形成于火山弧環(huán)境，M型花崗巖常見于洋中脊環(huán)境，A型花崗巖常產于板內裂谷環(huán)境。

花崗巖的成因類型、構造環(huán)境、構造階段劃分有大致的對應關系(表3)。

表3 花崗巖的成因類型與板塊構造環(huán)境

3 圖解判別

花崗巖的成因與板塊構造環(huán)境判別分析的依據為地質產狀、巖石組合、地球化學特征等。在化學成分特征參數與判別圖解中，常量元素應用較廣。S型花崗巖與I型花崗巖的判別，是工作的重點與難點。

花崗巖的成因與板塊構造環(huán)境圖解判別較多，在研究中盡量選擇多因素(指數)的判別圖解，判別圖解的投影區(qū)盡量不相重疊，投影指數的計算不宜太復雜。此類圖解有專著進行介紹，在閱讀參考資料中也應注意收集此類資料。

3.1 常量元素的R1-R2圖解

R.A.Batchelor(1985)繪制了花崗巖的R1-R2圖解(圖1)中，圖中R1、R2均為原子數的綜合數據。該圖不僅能判別花崗巖的構造環(huán)境，還能分析造山旋回中花崗巖堿質變化及板塊碰撞的不同階段特征[3]。

圖1 判別花崗巖成因類型與板塊構造環(huán)境的R1-R2圖解

圖1中，各類花崗巖可作如下解釋。

(1)地幔分離的花崗巖包括：地幔斜長花崗巖(拉斑玄武巖質花崗巖)-幔源花崗巖(M型花崗巖)。

(2)板塊碰撞前花崗巖包括：鈣堿性更長花崗巖(消減的活動板塊邊緣花崗巖)-板塊碰撞前消減地區(qū)的花崗巖(I型科迪勒拉花崗巖)。

(3)碰撞后抬升的花崗巖包括：高鉀鈣堿性花崗巖(加里東型深熔花崗巖)-板塊碰撞后隆起區(qū)的花崗巖(I型加里東花崗巖)。

(4)造山晚期花崗巖包括：二長巖(造山晚期花崗巖-晚造山期花崗巖)。

(5)非造山花崗巖包括：堿性、強堿性花崗巖(非造山區(qū)加里東花崗巖)。

(6)同碰撞期花崗巖包括：地殼熔融的花崗巖(同造山花崗巖)-同碰撞花崗巖(S型花崗巖)。

(7)造山期后花崗巖包括：堿性、強堿性花崗巖(造山期后的A型花崗巖。

該圖解有2個明顯的優(yōu)點：①參與作圖的因數較多，②在圖解中可以區(qū)分7種不同類型的花崗巖。

3.2 稀土元素分配型式圖

稀土元素分配型式圖是判別花崗巖成因的重要圖解之一(圖2)。

圖2 長嶺崗巖體霓輝霞石正長巖稀土元素分配型式

在作圖中，稀土元素的各個分析值分別除于球粒隕石中各個稀土元素的平均值，稱為稀土元素分析值的標準化。標準化后的優(yōu)點是消除了奇偶效應，使稀土元素分配型式圖上的曲線變得較為平滑[10、11]。稀土元素標準化后，在元素符號右側加N為下標。例如：LaN、SmN。

稀土元素標準化的球粒隕石數據主要有4種類型(表4)。

表4 常用稀土元素標準化的球粒隕石數據(單位：×10-6)

注：赫爾曼(1971)球粒隕石平均值為22個球粒隕石和一個9個球粒隕石的組合樣的26次測定的平均值。

巖漿巖中，大多數采用赫爾曼(1971)球粒隕石平均值進行標準化?，F在，國外多數學者采用增田(1973)數值進行標準化。我國推薦采用高秉璋(1991)數值進行標準化。標準化的數值類型，在報告、說明書、論文中要加于說明。

不同成因的花崗巖，稀土元素分配型式不同有明顯差別(表5)。

表5 稀土元素分配型式特征

3.3 微量元素蛛網圖

高秉璋等(1991)[2]收集了世界典型地區(qū)不同板塊構造環(huán)境的花崗巖的微量元素蛛網圖(圖3)。洋脊花崗巖的K2O、Rb的比值≤0.6。不同板塊構造環(huán)境的花崗巖的微量元素蛛網圖特征有明顯差別(表6)，可作為判別花崗巖板塊構造環(huán)境的參考資料。用于標準化的洋脊花崗巖數值見表7。

圖3 洋脊花崗巖為標準的花崗巖微量元素蛛網圖

表6 不同板塊構造環(huán)境的花崗巖的微量元素蛛網圖特征

表7 洋脊花崗巖的微量元素含量

注：表中含量單位除K2O為%外，其余元素均為10-6。

3.4 非活動元素圖解

非活動性元素圖解系指Rb-Yb+Ta、Rb-Y+Yb、Ta-Yb、Nb-Y的系列圖解(圖4)[2]。該圖解的原意是判別花崗巖形成的不同構造環(huán)境。李昌年(1992)[10]在江西省信江的中生代火山巖研究中，也用此圖解進行火山巖的構造環(huán)境判別。

圖4 判別花崗巖板塊構造環(huán)境的非活動元素圖解

3.5 其他圖解

除上述圖解外，常見的圖解還有ACF圖解、Na2O-K2O圖解、A/NK-A/CNK圖解、QAP圖解。

在S-I-M-A型的4種類型的花崗巖中，M型花崗巖與超鎂鐵巖、鎂鐵巖共生，A型花崗巖多呈巖株、巖枝狀產于板塊內部的裂谷帶，易于識別和區(qū)分。S型花崗巖、I型花崗巖經常成對出現在板塊結合帶，共同組成復合巖基，較難區(qū)分。在此情況下，需要進行ACF圖解(圖5)。

Na2O-K2O圖解(圖6)有ACF圖解類似的作用，并增加了A型花崗巖的判別功能。Na2O-K2O圖解為直角坐標系統(tǒng)，計算和作圖較為方便，使用起來較為方便。由于圖解判別僅使用Na2O、K2O，圖解因素太過于簡單，致使部分學者對其判別的準確性產生懷疑。

圖5 判別花崗巖成因類型的ACF圖解Fig 5.ACF Diagram of Granite Genesis Type Discrimination(仿中田節(jié)也，1979；轉引自王人鏡，1984)

圖6 判別花崗巖成因類型的Na2O-K2O圖解Fig 6.Na2O-K2O Diagram of Granite Genesis Type Discrimination(據W.J.Collina等，1982；轉引自邱家驤，1991)

圖7 判別花崗巖化學類型的A/NK-A/CNK圖解Fig 7.A/NK-A/CNK Diagram of Granite Chemical Type Discrimination(據Mania and Piccoli，1989)A/CNK比值是Al2O3/Na2O+K2O+CaO(分子數)A/NK比值是Al2O3/Na2O+K2O(分子數)

圖8 判別花崗巖成因類型的QAP圖解Fig 8.QAP Diagram of Granite Genesis Type Discrimination(據P.B0wden等，1982；轉引自邱家驤，1991)Q=石英；A=堿性長石(正長石、微斜長石、條紋長石、歪長石、鈉長石，鈉長石An<5)；P=斜長石(鈉長石，含方柱石，鈉長石An>5)

從Al2O3、Na2O、K2O、CaO的質量分數看，花崗巖可劃分為過堿性、準鋁質、過鋁質三個系列，與A型花崗巖、I型花崗巖、S型花崗巖有大致的對應關系。A/NK-A/CNK圖解(圖7)從劃分花崗巖的系列入手，進行花崗巖成因類型分析。

QAP圖解(圖8)作圖的3個端員一般采用標準礦物分子計算結果，也可以采用薄片鑒定結果。該圖解同時具有巖石的分類命名和成因類型判別功能。巖石分類命名與國際地科聯(TUGS)火成巖分會推薦的方案完全一致。從圖解看：二長花崗巖、花崗閃長巖、英云閃長巖、斜長花崗巖中富硅部分屬S型花崗巖，貧硅部分屬I型花崗巖；鉀長花崗巖、堿長花崗巖屬A型花崗巖。這種結論是否可靠還需驗證。

4 結論

綜上所述，可得出如下結論。

(1)花崗巖的成因類型主要有3種劃分方法：S-I-M-A型、殼幔同熔型-陸殼改造型-幔源型、磁鐵礦系列-鈦鐵礦系列。

(2)花崗巖漿活動的板塊構造背景一般劃分為：同碰撞花崗巖(S-COLG)、火山弧花崗巖(VAG)、洋中脊花崗巖(ORG)、板內花崗巖(WPG)。

(3)花崗巖的成因類型與板塊構造環(huán)境可根據常量元素、稀土元素、微量元素進行圖解判別，常用圖解為R1-R2圖解、稀土元素分配型式圖、微量元素蛛網圖、非活動性元素(Rb-Yb+Ta、Rb-Y+Yb、Ta-Yb、Nb-Y)系列圖解。