云南騰沖全新世火山源區(qū)性質及其巖漿演化

李 欣 劉嘉麒 孫春青 杜德道 王 石

1)中國石油勘探開發(fā)研究院，石油工業(yè)標準化研究所，北京 100083

2)中國科學院地質與地球物理研究所，新生代地質與環(huán)境研究室，北京 100029

0 引言

騰沖新生代火山區(qū)位于云南省西南邊陲，構造位置處于三江構造帶西部，怒江構造帶和那幫構造帶之間(季建清等，2000)。地處印度板塊俯沖碰撞的最前緣，以構造變形異常醒目、巖漿活動頻繁、新生代火山活動和高溫地熱異常聞名遐邇，尤其是現(xiàn)存4座全新世以來都有過噴發(fā)歷史的年輕火山，使該區(qū)成為中國境內最年輕火山區(qū)之一。從20世紀80年代以來一直是中國火山學家關注的熱點地區(qū)之一。騰沖地塊中的火山巖分布于狹窄的NE—NNE向的弧形盆地中，火山熔巖分布面積792km2(姜朝松，1998a)?；鹕交顒邮加谥行率?，噴發(fā)活動延續(xù)至全新世，17.8～0.09Ma(穆志國等，1987;姜朝松，1998b)，具有明顯的多期活動性質和從盆地中部向東、西兩側由新逐漸變老的特點。以往研究(皇甫崗等，2000;趙勇偉等，2010)表明，騰沖新生代火山活動可分為4期(圖1)。通過野外考察發(fā)現(xiàn)，黑空山熔巖覆蓋面積最廣，最北可以到達團山，最東可達曲石，最南部可以覆蓋到鐵鍋山以南。前人(Zhu et al.，1983;穆治國，1987;叢柏林等，1994;夏明等，1995;樊祺誠，1999，2001;李大明等，2000;Wang et al.，2006;Zou et al.，2010;趙勇偉等，2010)對本區(qū)火山巖進行了火山地質學、巖石地球化學與年代學研究，并對騰沖火山噴發(fā)期次進行劃分。雖然不同學者劃分期次有所不同，但是都把黑空山、打鶯山、馬鞍山和老龜坡劃歸為本區(qū)全新世時期有噴發(fā)記錄的火山。騰沖全新世火山活動表現(xiàn)出從中北部向南部遷移的活動特征，從黑空山、打鶯山、馬鞍山一線向南部熱海地區(qū)遷移。通過地球物理(白登海等，1994)和地熱(趙慈平等，2006)研究表明，馬站和荷花－熱海地區(qū)存在地下巖漿囊，北部與南部巖漿囊可能相連(譚捍東，2013)。證明騰沖全新世火山活動從北向南遷移并可能尚未結束。

圖1 騰沖火山巖分布圖(據皇甫崗等，2000和Zou et al.，2010修改)Fig.1 Distribution diagram of volcanic rocks of Tengchong(modified from HUANGFU Gang et al.，2000 and Zou et al.，2010).

1 巖石化學組成

1.1 主量元素

主量元素分析表明，騰沖全新世火山巖以粗面玄武巖、玄武粗安巖、粗安巖和英安巖為主(圖2)，屬于高鉀鈣堿性系列(圖3)。這套鉀質粗面玄武巖K2O平均含量為3.03%，相對于正常鈣堿性系列火山巖而言，仍然表現(xiàn)為較高含量，不同于通常的島弧區(qū)鈣堿性系列火山巖，在AFM圖(圖5)上，樣品點均落于高鉀鈣堿系列火山巖區(qū)域，具有陸內火山巖高鉀的典型地球化學特征(Wilkinson et al.，1987)。在Harker圖解(圖4)上，火山巖的TiO2、Al2O3、MgO、CaO與SiO2之間存在負相關關系;然而，K2O與SiO2具有良好的正相關關系。良好的協(xié)變關系表明3座火山巖漿同源，經歷不同程度的后期演化，形成了從基性到酸性均有分布的火山巖組合。隨著火山巖SiO2含量增加，MgO與CaO含量減少，全堿含量(NaO+K2O)增加，說明高鉀鈣堿性巖漿經歷了巖漿房階段輝石、鈦鐵礦的結晶分離作用和巖漿上升過程中斜長石的結晶分離作用(趙勇偉等，2010)。上述特征進一步證實，騰沖3座全新世火山的噴發(fā)物成分之間存在著分離結晶的演化關系。這一認識與前人(樊祺誠，1999;趙勇偉等，2010)的研究結論一致，騰沖火山區(qū)之下的殼－幔邊界或殼內巖漿房的巖漿將向更具爆炸性和災害性的富硅、富堿的酸性巖漿演化。

圖2 騰沖全新世火山巖TAS圖(據Le，1989).2 TAS diagram for volcanic rocks in Tengchong(after Le，1989).

圖3 騰沖全新世火山巖SiO2－K2 O關系圖SiO2－K2 O diagram of Holocene volcanic rocks of Tengchong.

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圖4 騰沖全新世火山巖Harker圖解Fig.4 Harker diagram of Holocene volcanic rocks of Tengchong.圖例同圖2

1.2 微量元素、稀土元素

騰沖3座全新世火山巖稀土元素含量特征與球粒隕石標準化配分形式基本相同(圖6)，均呈現(xiàn)出輕稀土(LREE)富集的右傾型分配模式;它們的LREE分異程度相對較高，而HREE分餾程度較低。上述3座火山噴發(fā)物的微量元素地球化學特征總體相似(圖7)，均顯示出大離子親石元素的強烈富集和高場強元素的相對虧損。所有的研究樣品都表現(xiàn)為Rb，Th，U，K，Pb，Nd的正異常，Nb，Ta，Sr，P，Ti的負異常，尤其是具有明顯的Nb，Ta負異常，暗示可能具有島弧或活動大陸邊緣火山巖的特征(Guo et al.，2005，2006)。從全新世火山巖稀土元素和微量元素變異圖解上可以看出，3座火山的稀土和微量元素配分形式十分相似，進一步說明3座火山巖漿為同源。

圖5 騰沖全新世火山巖AFM圖解Fig.5 AFM diagram of Holocene volcanic rocks of Tengchong.

圖6 騰沖全新世火山巖稀土元素球粒隕石標準化圖Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns of the Holocene volcanic rocks in Tengchong.

圖7 騰沖全新世火山巖微量元素原始地幔標準化圖Fig.7 Trace element spidergram of the Holocene volcanic rocks in Tengchong.

2 巖漿來源與源區(qū)性質

2.1 巖漿來源

前人對騰沖火山巖的成因和巖漿來源給出了不同的解釋。認為騰沖火山巖的巖漿源區(qū)是一個同位素不平衡的富集地幔，由于板塊俯沖作用，大量的地殼物質被帶入上地幔。這些含水的地殼物質熔融后在俯沖帶形成同位素不平衡或局部不均一的交代地幔源，該地幔源熔融形成騰沖火山巖。并通過Zr/Ni－Zr與Zr/V－Zr模擬計算出騰沖火山源區(qū)近似于榴輝巖組成，而不是地幔輝橄巖。叢柏林等(1994)指出，青藏高原及其東鄰地區(qū)的地殼和上地幔中存在著異常的低密度層，巖漿可能來源于該低密度層或受到了其強烈混染，騰沖新生代火山巖具有明顯的島弧或活動陸緣屬性，它們是俯沖造成的地幔楔滯后重熔的結果。樊祺誠等(1999)認為騰沖火山巖的同位素地球化學成分具有原始地幔與EMⅡ地幔端源混合的特征，提出高鉀鈣堿性巖漿成因與殼幔相互作用有關。趙勇偉等(2010)提出，由于俯沖洋殼的重新熔融導致新近紀以來騰沖地區(qū)高鉀鈣堿性巖漿的火山活動，因此騰沖大陸板內構造環(huán)境出現(xiàn)了具有島弧或大陸邊緣火山巖地球化學特征的現(xiàn)象。王瑜(1999)認為，發(fā)生于4～0.01Ma期間的騰沖地區(qū)高鉀鈣堿性玄武巖、玄武安山質火山活動的背景為印度板塊持續(xù)向北擠入導致其東側右行走滑形成了剪切－拉張構造，巖漿活動的深部為現(xiàn)存的大陸邊緣環(huán)境。火山活動與緬甸弧的俯沖作用、密支那－曼德勒縫合帶的活動無關。趙慈平等(2008)認為，騰沖火山的形成與板塊俯沖無關，是局部地幔隆升區(qū)空間尺度和隆升強度的最直接反映。局部上隆的地幔既為騰沖火山的孕育提供了巖漿物質來源，也為巖漿的上侵提供了構造通道。

騰沖全新世火山巖具有高87Sr/86Sr、低143Nd/144Nd比值和高208Pb/204Pb比值的特征，通常認為是源區(qū)富集地幔部分熔融的產物。通過Sr、Nd、Pb同位素示蹤，確定騰沖全新世火山巖源區(qū)具EMⅡ富集地幔特征(李欣等，2012)。另外騰沖地區(qū)緊鄰密支那及怒江古縫合帶，經歷了古特提斯、新特提斯和新生代印度－歐亞大陸碰撞誘發(fā)的大規(guī)模陸內變形作用等復雜的演化歷史，古特提斯洋殼沉積物的再循環(huán)與俯沖帶流體的交代作用，是形成EMⅡ富集地幔的主要因素(李勇等，2011)。因此推測騰沖火山巖源區(qū)是受到俯沖的揚子古陸殼與古特提斯洋殼物質混染了的富集地幔(叢柏林等，1994;Chung et al.，1997;Xu et al.，2001)，地幔富集發(fā)生在部分熔融之前。富集地幔源區(qū)發(fā)生部分熔融可能與揚子地塊的俯沖板片裂離誘發(fā)的地幔上涌有直接關系(Liu et al.，2000)。巖漿源區(qū)受到了俯沖板片的交代作用形成了富鉀巖漿，交代物質來源于受到較早的俯沖帶流體改造過的地幔楔部分熔融。

印度板塊與亞歐板塊碰撞發(fā)生在50～60Ma之前(許志琴，2006)。騰沖地區(qū)自古近紀以來出露地層已為陸相河流沉積(N1)，騰沖上新世以來的火山活動發(fā)生時這一地區(qū)早已經是大陸環(huán)境(陳廷方等，1994)。印度板塊俯沖到歐亞板塊之下發(fā)生在27～15Ma，然而騰沖和緬甸火山噴發(fā)在5.5Ma。騰沖盆地發(fā)展為伸展盆地的時間是6～5Ma，這與火山噴發(fā)的開始年齡一致，預示著區(qū)內火山噴發(fā)時受盆地內部斷裂帶控制。整個晚中新生代時期，騰沖及其鄰區(qū)的火山噴發(fā)都不受板塊俯沖或者火山弧作用的控制。騰沖新生代以來的火山活動主要受盆地內斷裂控制，其活動產物為板內火山巖，表現(xiàn)出的島弧火山巖特征是由于地幔源區(qū)受到古洋殼俯沖板片的富集作用，富集作用發(fā)生在部分熔融作用之前。

2.2 源區(qū)性質

騰沖全新世火山巖具有較高的K2O平均含量(3.3wt%)，指示它們的地幔源區(qū)存在鉀質礦物。實驗表明(Edgar et al.，1976;Mengel et al.，1989)，在高壓環(huán)境下鎂鐵質熔體中金云母的K2O(3.5wt%)可以達到飽和，鉀質巖漿中K2O的富集可能與這個飽和度有關。另外，這些巖石在化學成分上表現(xiàn)出高鉀可能與地幔源區(qū)富鉀殘余礦物相有關，最有可能是含有金云母或者角閃石。相對于角閃石，金云母分解熔體具有較高的Rb/Sr比值及較低的Ba/Rb比值(Furman et al.，1999)。騰沖全新世火山巖具有較高的Rb/Sr比值(0.08～0.64)與較低的Ba/Rb比值(7.29～14.56)，表明源區(qū)含有金云母。對于角閃石，Nb和Ta都是不相容元素，低Mg﹟角閃石的DNb/DTa＞1(Tiepolo et al.，2000)。同時，這2種元素在角閃石中的分配系數DNb，Taamphibole要大于它們在橄欖石、單斜輝石和斜方輝石中的分配系數DNb，Taol，cpxandcpx(Dunn et al.，1994;Hauri et al.，1994)。因此，角閃石部分熔融不僅導致熔體的Nb、Ta含量和Nb/Ta比值升高，也會導致其Sr負異常的升高。而騰沖全新世火山巖表現(xiàn)為Nb、Ta負異常、Sr正異常和低Nb/Ta比值(12.14～17.12)，表明源區(qū)富鉀礦物為金云母。另外這些火山巖都有很高的Yb(＞1.8ppm)含量。這些都說明騰沖全新世火山巖源區(qū)不含角閃石。

稀土元素比率可用以確定與礦物學、化學有關的源區(qū)部分熔融程度和深度(Shaw et al.，2003)。由于石榴石相橄欖巖和尖晶石相橄欖巖具有不同的REE固/液相分配系數，通常，石榴石相及尖晶石相二輝橄欖巖部分熔融形成的熔體均有較大的La/Yb比值變化范圍。Yb在石榴石中是相容元素，而La是強不相容元素，故在石榴石穩(wěn)定區(qū)的早期熔融階段，La/Yb和Dy/Yb會發(fā)生明顯分餾(Bogaard et al.，2003)。對于石榴石，Yb是相容元素，La和Sm是不相容元素。石榴石作為殘留相且熔融程度較低時，La/Yb和Sm/Yb會發(fā)生大的分異。然而，在尖晶石穩(wěn)定區(qū)發(fā)生部分熔融時，La/Yb只出現(xiàn)輕度分異，Sm/Yb幾乎不分異。因此，La/Y－Sm/Yb圖解可用來區(qū)分部分熔融發(fā)生在尖晶石相還是石榴石相(圖8)。一般認為，部分熔融壓力會直接影響巖漿中硅的飽和程度(Kushiro et al.，2001)。高壓條件下小比例部分熔融產生的巖漿相對貧Si，更有可能出現(xiàn)標準礦物霞石(Ne);低壓條件下大比例部分熔融形成的巖漿會相對富Si，出現(xiàn)標準礦物紫蘇輝石(Hy)和石英(Q)(Depaolo et al.，2000)。騰沖全新世火山巖標準礦物計算均出現(xiàn)標準礦物紫蘇輝石(Hy)和石英(Q)(計算結果略)。綜合以上分析，判斷騰沖全新世火山巖是石榴石相橄欖巖低壓條件下大比例部分熔融的產物。

3 巖漿演化

3.1 地殼混染

騰沖全新世火山巖表現(xiàn)出大離子親石元素的強烈富集，因此要考慮巖漿上升過程中是否受到地殼的混染。這套火山巖的不相容元素(Th，La，Rb，K元素)隨著SiO2的增加而增加(圖9)，可能原因是巖漿演化過程中受到地殼的混染或者在源區(qū)部分熔融過程中富集了這些殼源物質。

圖8 騰沖全新世火山巖La/Yb-Sm/Yb相關圖Fig.8 Correlative diagram of La/Yb-Sm/Yb for the Holocene volcanic rocks in Tengchong.

圖9 騰沖全新世火山巖微量元素－SiO2圖解Fig.9 Correlative diagram of REE-SiO2 for the Holocene volcanic rocks in Tengchong.

3.2 分離結晶

騰沖全新世火山巖含有橄欖石、單斜輝石和斜長石斑晶，因此，需要考慮分離結晶對巖漿組成的影響。

由地幔橄欖巖直接熔融形成的原始巖漿具有高的Ni、Cr含量及高的Mg值(100Mg/(Mg+Fe2+))。當部分熔融程度 ＜30% 時，Mg值范圍在68～75(Fan et al.，1991)。原始巖漿Ni含量應該 ＞300ppm(Frey et al.，1978)或者介于250～300ppm(Wilkinson et al.，1987)，Cr含量應該在500～600ppm。騰沖全新世火山巖低Mg值和低的Cr、Ni含量表明，巖漿已經不是原始巖漿，而是經歷了強烈的分離結晶作用，3座全新世火山的巖漿分離結晶趨勢有所不同。

在Ni-MgO關系圖(圖10)上可以看出，馬鞍山火山巖樣品Ni含量隨著MgO含量的降低而降低，同時伴隨SiO2含量升高，說明有橄欖石的分離結晶。當MgO＜6%時，CaO與MgO呈現(xiàn)正相關，表明斜長石和單斜輝石同時從巖漿熔體中結晶出來。當MgO＞6%時，CaO和MgO呈現(xiàn)負相關，主要是單獨由橄欖石分離結晶控制巖漿作用過程(圖13)。標準礦物計算結果(表略)表明只有部分基性火山巖含有橄欖石。3座火山的火山巖樣品Cr含量隨著MgO含量的降低而降低(圖11)，所有樣品CaO/Al2O3比值隨著CaO含量的降低而減小(圖12)，說明有單斜輝石的分離結晶(Green et al.，1971)。

圖10 Ni-MgO圖解Fig.10 Diagram of correlative variations between Ni-MgO.

圖11 Cr-MgO圖解Fig.11 Diagram of correlative variations between Cr-MgO.

盡管地幔源區(qū)中磷灰石的存在可能使U/Pb值發(fā)生分餾，低U/Pb比值不可能是部分熔融或者結晶分異造成，因為在巖漿后期作用中俯沖作用帶來的流體中U、Pb的地球化學行為相似(Sheppard et al.，1992)。因此，騰沖全新世火山巖極低的U/Pb值與現(xiàn)代大洋沉積物的U/Pb值一致(Sun et al.，1989)，造成這一現(xiàn)象可能是由于成巖過程中大洋沉積物的貢獻和磷灰石的結晶分異。

在K2O－TiO2協(xié)變圖解(圖14)中，樣品K2O含量隨TiO2含量的增加而降低，呈良好的負相關關系，同時TiO2含量隨著SiO2含量的增加而增加(圖15)。研究表明，Ti和K并不存在于主要結晶分異礦物(橄欖石、單斜輝石、斜長石、石榴石、Cr－尖晶石)的結構中(McKenzie et al.，1991)。因此，若有上述礦物的結晶分異發(fā)生，TiO2含量會隨著SiO2含量的增加而增加。樣品在TiO2－SiO2協(xié)變圖中(圖14)表現(xiàn)出良好的負相關關系，證明有鈦磁鐵礦的分離結晶作用。

圖12 CaO/Al2 O3－CaO圖解Fig.12 Diagram of correlative variations between CaO/Al2 O3－CaO.

圖13 CaO－MgO圖解13 Diagram of correlative variations between CaO－MgO.

圖14 K2 O－TiO2圖Fig.14 Diagram of correlative variations between K2 O－TiO2.

圖15 SiO2－TiO2圖Fig.15 Diagram of correlative variations between SiO2－TiO2.

騰沖火山巖均表現(xiàn)出Eu的負異常。通常認為Eu的負異常與斜長石分離結晶作用有關，巖漿演化程度越高，就有更多的斜長石結晶，打鶯山火山巖稀土配分圖表現(xiàn)出更強烈的Eu的負異常，說明其巖漿演化程度最高。以往研究認為，P、Ti負異常說明可能有輝石、鈦鐵氧化物和磷灰石的結晶分異作用;Sr、Eu負異?？赡芘c斜長石的分離結晶作用有關，說明騰沖全新世火山巖巖漿演化過程早期有輝石、鈦鐵氧化物和磷灰石的結晶分異，巖漿上升過程中以斜長石的分離結晶作用為主。

4 結論

(1)騰沖及其鄰區(qū)新生代以來的火山噴發(fā)主要受盆地內斷裂控制，不受板塊俯沖或者火山弧作用的控制。其活動產物為板內火山巖，表現(xiàn)出的島弧火山巖特征是由于地幔源區(qū)受到古洋殼的俯沖板片的富集所致，富集作用發(fā)生在部分熔融作用之前。

(2)通過La/Yb-Sm/Yb關系模擬出騰沖全新世火山巖是低壓條件下石榴石相橄欖巖大比例部分熔融的產物。其源區(qū)富鉀礦物為金云母，不含角閃石。

(3)低Cr、低Ni特征，說明巖漿已經不是母巖漿，而是經歷過強烈的分離結晶作用。P、Ti負異常說明可能有輝石、鈦鐵氧化物和磷灰石的結晶分異作用;Sr、Eu負異?？赡芘c斜長石的分離結晶作用有關。Cr和Ni與MgO的相關性說明有橄欖石和單斜輝石的分離結晶。