騰沖火山起源的地球物理和地球化學(xué)研究進(jìn)展

陳克非，林 葉，申文豪，徐錫偉，汪文帥，劉少林*

1 應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085

2 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

3 寧夏大學(xué)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)院，銀川 750021

0 引 言

騰沖火山區(qū)位于青藏高原東南緣，自新生代以來經(jīng)歷了板塊俯沖和大陸碰撞事件，并伴隨著深層巖漿活動(dòng)和火山作用.騰沖火山是研究板塊俯沖過程和新生代構(gòu)造-巖漿活動(dòng)的理想場所.在印度板塊與歐亞板塊的持續(xù)碰撞擠壓作用下，該區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)復(fù)雜，地殼較為破碎，深大斷裂發(fā)育，強(qiáng)震災(zāi)害頻發(fā).騰沖火山區(qū)火山、溫泉、地?zé)豳Y源豐富，其中騰沖火山群是我國為數(shù)不多的晚第四紀(jì)火山群之一.有記錄記載1609年在騰沖打鷹山有小規(guī)模的巖漿噴發(fā)（皇甫崗，1997）.地質(zhì)調(diào)查表明該地區(qū)有新生代火山68座，火山區(qū)巖漿處于活動(dòng)狀態(tài)，具有較大的噴發(fā)危險(xiǎn)性（姜朝松，1998）.地球物理研究認(rèn)為該地區(qū)出現(xiàn)低P波和S波速度、低電阻率以及火山地震的發(fā)生均說明騰沖火山內(nèi)部存在巖漿活動(dòng)，具有再度噴發(fā)的可能（Bai et al., 2001; Lei et al., 2009; 王椿鏞等, 2002）.

對(duì)于構(gòu)造與火山活動(dòng)強(qiáng)烈的騰沖地區(qū)，前人開展了豐富的地球化學(xué)和地球物理研究，指出騰沖火山噴發(fā)與印度板塊俯沖有關(guān).地球化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)騰沖火山巖具有典型的島弧火山巖特征，但與相鄰地區(qū)的緬甸弧火山在Sr-Nd同位素上具有較大差異，因此前人認(rèn)為騰沖新生代火山主要起源于上地幔，包括交代的軟流圈地幔（Chen et al., 2002; Guo et al., 2015; Zhou et al., 2012）、富集的巖石圈地幔（Cheng et al., 2018; Zhang et al., 2012）等.地球物理研究認(rèn)為騰沖火山可能來源于地幔轉(zhuǎn)換帶（Lei et al., 2009），也有地球物理成像研究認(rèn)為是上地幔板塊撕裂造成熱物質(zhì)上涌形成騰沖火山（Zhang et al., 2017）.對(duì)騰沖火山的起源問題，地球化學(xué)和地球物理研究之間仍存在較大爭議.

騰沖火山起源研究具有重要的科學(xué)意義和社會(huì)價(jià)值.本文整理了騰沖火山起源相關(guān)的地球物理和地球化學(xué)的研究成果，對(duì)騰沖火山巖漿來源、深部動(dòng)力學(xué)機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題進(jìn)行了總結(jié)歸納，為研究騰沖火山起源提供了較全面的科學(xué)參考.

1 構(gòu)造背景

騰沖火山區(qū)位于板塊碰撞和俯沖匯聚地帶，構(gòu)造背景復(fù)雜，且在該區(qū)域發(fā)育有豐富的活動(dòng)斷裂.騰沖火山區(qū)屬于藏滇褶皺系，其東側(cè)為高黎貢山脈，西側(cè)與緬甸相鄰.自55 Ma以來的印度—?dú)W亞板塊的碰撞以及隨后的印度板塊在巽他俯沖帶的俯沖，造成青藏高原南部的擠壓構(gòu)造，同時(shí)也形成亞洲東南部的拉伸構(gòu)造（Wang and Burchfiel, 1997）.受NW向伸展應(yīng)力作用，導(dǎo)致騰沖巖石圈處于拉張環(huán)境；同時(shí)受到NE向擠壓作用，發(fā)育大量的走滑斷裂，斷裂方向主要為NE向和NS向（Wang et al.,2007）（圖1）.騰沖火山區(qū)火山巖、地震活動(dòng)及地?zé)釁^(qū)的分布等，都與斷裂密切相關(guān).

圖1 印度板塊和歐亞板塊俯沖和碰撞帶的主要構(gòu)造單元.（a）構(gòu)造概覽圖，紅色三角形表示緬甸和中國云南的第四紀(jì)火山，紫色五角星表示發(fā)生在騰沖及周圍的大地震，其震級(jí)大于MW7.5，黑線代表青藏高原及其附近的主要斷層（修改自Mo et al., 2006），紅色矩形為研究區(qū)域.（b）騰沖火山區(qū)及周邊塊體邊界（修改自Zhou et al., 2012）.（c）騰沖火山區(qū)不同時(shí)期巖漿巖的分布（修改自Cheng et al., 2020）Fig.1 Major tectonic units in the collision and subduction zones between the Indian and Eurasian plates.(a) Overview of the main tectonic settings.The red triangles denote Quaternary volcanoes in Myanmar and Yunnan, China.The purple stars denote great earthquakes with magnitudes larger than MW7.5 around Tengchong.The black lines mark the major faults in and near the Tibetan Plateau (Mo et al., 2006).The red rectangle indicates the study area.(b) Boundaries of the blocks in the Tengchong volcanic field and surrounding area (modified from Zhou et al., 2012).(c) Distribution of magmatic rocks in different periods within the Tengchong volcanic field (modified from Cheng et al., 2020)

騰沖火山區(qū)的巖漿噴發(fā)活動(dòng)起始于中新世晚期，在晚更新世達(dá)到高峰（李霓和張柳毅，2011）.火山活動(dòng)可分為四個(gè)時(shí)期：晚中新世—上新世（8.0—2.7 Ma），以玄武巖為主；早更新世（2.7—0.8 Ma），主要噴出粗安巖和英安巖；晚更新世（0.8—0.2 Ma），主要形成玄武巖和粗安巖；全新世（＜0.2 Ma），主要噴出玄武質(zhì)粗安巖和粗安巖（Cheng et al., 2020）.火山活動(dòng)時(shí)序具有從裂谷盆地東、西兩側(cè)逐漸向盆地中心轉(zhuǎn)移的特征，在盆地中心巖漿噴發(fā)具有從北向南遷移的趨勢.

騰沖地區(qū)具有高的大地?zé)崃髦担s300 mW/m），遠(yuǎn)高于周邊地區(qū)（100 mW/m）（Hu et al., 2000）.且騰沖地區(qū)發(fā)育大量的地?zé)崃黧w活動(dòng)，如沸泉、水熱爆炸和高溫噴氣孔等，其中以熱海地?zé)釁^(qū)為代表.對(duì)研究區(qū)地?zé)崃黧w相關(guān)的溫泉?dú)忾_展研究，發(fā)現(xiàn)騰沖溫泉?dú)庵械腍e/He具有地幔來源特征（上官志冠等，2000；王先彬等，1993），說明騰沖熱流來源于深部地幔，后經(jīng)過地殼到達(dá)地表（趙慈平等，2012）.此外，騰沖不同區(qū)域溫泉?dú)獾腍e/He值常表現(xiàn)出較大的差異性（成智慧等，2014；上官志冠等，2000），可能反映騰沖下方地殼中存在不同尺度、脫氣通量不同的巖漿囊.

2 火成巖特征和源區(qū)性質(zhì)

2.1 火成巖類型和分布特征

騰沖火山區(qū)巖漿類型多，包括玄武巖、粗面玄武巖、玄武粗安巖、粗面安山巖、安山巖、英安巖和流紋巖.根據(jù)前人研究，騰沖火山活動(dòng)主要分為四個(gè)時(shí)期，不同時(shí)期形成的火山巖類型有明顯差異：（1）晚中新世—上新世玄武巖（8.0—2.7 Ma），稱為第1組；（2）早更新世粗安巖和英安巖（2.7—0.8 Ma），稱為第2組；（3）晚更新世玄武巖和粗安巖（0.8—0.2 Ma），稱為第 3組；（4）全新世玄武質(zhì)粗安巖和粗安巖（＜0.2 Ma），稱為第4組（Cheng et al., 2020）（圖2a）.隨著時(shí)間推移，火山形成位置從騰沖盆地的東、西邊緣逐漸轉(zhuǎn)移到盆地中心.Cheng等（2018）分析了騰沖盆地邊緣和中心盆地的玄武巖，發(fā)現(xiàn)邊緣位置玄武巖比中央玄武巖具有更高的堿性.此外，盆地中心玄武巖較邊緣地區(qū)玄武巖具有更低的Sr/Sr和更高的He/He（Chen et al., 2022; Cheng et al., 2018;Zou et al., 2017）.這些特征反映騰沖巖漿為不同源區(qū)的混合，且隨著時(shí)間的演化，巖漿源區(qū)發(fā)生了遷移.Zhou等（2012）認(rèn)為騰沖巖漿源區(qū)為早期印度大陸板塊和后期印度洋板塊交代物質(zhì)的混合；Guo等（2015）認(rèn)為騰沖巖漿來源于軟流圈地幔和俯沖印度板塊所釋放熔/流體的混合；Chen等（2022）認(rèn)為騰沖巖漿源區(qū)為交代巖石圈地幔和富集軟流圈地幔的混合，且隨著時(shí)間增加軟流圈物質(zhì)的貢獻(xiàn)逐漸增大.

在SiO-KO圖中，騰沖火山區(qū)火山巖落在高鉀鈣堿性系列范圍（圖2b）.根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者研究，鈣堿性火山巖常形成于島弧或活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造背景下（趙勇偉和樊祺誠，2010）.

圖2 騰沖火山巖（a）全堿硅分類圖和（b）SiO2-K2O圖（數(shù)據(jù)來源于Chen et al., 2002; Cheng et al., 2018; Cheng et al.,2020; 樊祺誠等, 1999; Guo et al., 2015; Liu et al., 2017; Tian et al., 2018; Zhang et al., 2012; Zhou et al., 2012; Zou et al.,2017）Fig.2 The (a) total alkali and silica diagram and (b) cross plot of K2O versus SiO2 for Tengchong volcanic rocks.The data were from previous studies (data from Chen et al., 2002; Cheng et al., 2018; Cheng et al., 2020; Fan et al., 1999; Guo et al., 2015; Liu et al., 2017; Tian et al., 2018; Zhang et al., 2012; Zhou et al., 2012; Zou et al., 2017)

根據(jù)Sr/Sr與SiO相關(guān)性，可判斷巖漿巖是否遭受明顯的地殼混染.通常遭受明顯地殼混染的巖漿巖顯示出強(qiáng)的Sr/Sr與SiO正相關(guān)關(guān)系（Cheng et al., 2020）.圖3b顯示騰沖玄武巖（SiO＜52.5%的巖石樣品）的Sr/Sr與SiO無明顯正相關(guān)關(guān)系，推測其未遭受明顯的地殼混染.而玄武安山巖、安山巖和英安巖（SiO＞52.5%的巖石樣品）的Sr/Sr與SiO有明顯正相關(guān)關(guān)系，顯示其受到不同程度的地殼混染.這與前人的認(rèn)識(shí)是一致的（樊祺誠等, 1999; Li et al., 2017; 穆治國等, 1987;Tian et al., 2018; Zhou et al., 2012; Zou et al., 2017）.根據(jù) Cheng等（2020）、Tian等（2018）和 Zou等（2017）的研究，造成這一現(xiàn)象的原因主要與巖漿在地殼中的滯留時(shí)間長短有關(guān)，滯留時(shí)間長的巖漿更容易發(fā)生同化混染和分離結(jié)晶.玄武巖作為原始巖漿，其通常快速噴出地表，在地殼中滯留時(shí)間短，因此與地殼圍巖相互作用弱，遭受的地殼混染作用小.而那些長時(shí)間滯留在地殼中的玄武巖，易發(fā)生演化（SiO含量增加），形成玄武安山巖、安山巖和英安巖，同時(shí)它們與地殼物質(zhì)的相互作用逐漸加強(qiáng)（Sr/Sr增加），顯示出不同程度的地殼混染.

圖3 騰沖火山巖（a）143Nd/144Nd-87Sr/86Sr圖和（b）87Sr/86Sr-SiO2圖（數(shù)據(jù)來源于Chen et al., 2002; Cheng et al., 2018;Cheng et al., 2020; 樊祺誠等, 1999; Guo et al., 2015; Liu et al., 2017; Tian et al., 2018; Zhang et al., 2012; Zhou et al., 2012;Zou et al., 2017）Fig.3 The diagrams of (a) 143Nd/144Nd-87Sr/86Sr and (b) 87Sr/86Sr-SiO2 for the Tengchong volcanic rocks (data from Chen et al., 2002;Cheng et al., 2018; Cheng et al., 2020; Fan et al., 1999; Guo et al., 2015; Liu et al., 2017; Tian et al., 2018; Zhang et al., 2012;Zhou et al., 2012; Zou et al., 2017)

2.2 巖漿源區(qū)性質(zhì)和成因

2.2.1 火成巖微量元素、Sr-Nd-Pb-Mg-He同位素

騰沖玄武巖都具有輕稀土元素富集的特征，在不相容元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化配分圖上，所有樣品的分布趨勢大致相同，都富集LREE，大離子親石元素（Rb、Ba、Th、K）和Pb元素，虧損高場強(qiáng)元素（Nb、Ta、Ti）（圖4），Nb-Ta-Ti的負(fù)異常指示騰沖火山巖漿源區(qū)與板塊俯沖有關(guān).

圖4 騰沖火山巖微量元素蛛網(wǎng)圖.紅色實(shí)線代表洋島玄武巖（OIB）微量元素特征，綠色實(shí)線表示富集地幔EM-II端元微量元素（數(shù)據(jù)來源于Chen et al., 2002; Cheng et al., 2018; Cheng et al., 2020; 樊祺誠等, 1999; Guo et al., 2015; Liu et al.,2017; Tian et al., 2018; Zhang et al., 2012; Zhou et al., 2012; Zou et al., 2017）Fig.4 Trace element spidergrams for the Tengchong volcanic rocks.The red solid line represents the trace element characteristics of ocean island basalt, and the green solid line indicates type II enriched mantle (EM-II) trace elements (data from Chen et al.,2002; Cheng et al., 2018; Cheng et al., 2020; Fan et al., 1999; Guo et al., 2015; Liu et al., 2017; Tian et al., 2018; Zhang et al.,2012; Zhou et al., 2012; Zou et al., 2017)

騰沖玄武巖具有較高的Sr同位素和較低的Nd同位素.Sr/Sr值分布在0.704 329～0.710 648之間，Nd/Nd值分布在0.511 809～0.512 813之間（Chen et al., 2002; Cheng et al., 2018; Cheng et al.,2020; 樊祺誠等, 1999; Guo et al., 2015; Liu et al.,2017; Tian et al., 2018; Zhang et al., 2012; Zhou et al.,2012; Zou et al., 2017）（圖3a）.此外，騰沖玄武巖Pb同位素具有特殊性，其Pb/Pb值分布在17.734～18.591之間，Pb/Pb值分布在15.546～15.631之間，Pb/Pb值分布在38.753～39.270之間.騰沖玄武巖Mg同位素δMg分布在-0.51‰～-0.27‰（Liu et al., 2017; Tian et al., 2018）.騰沖玄武巖橄欖石斑晶的氦同位素He/He分布在4.1～8.3 Ra（Chen et al., 2022; Zhang et al., 2021b）.

2.2.2 火成巖成因過程

利用騰沖初始巖漿可判斷形成富集地幔的交代介質(zhì)是熔體或/和流體.通常流體交代形成的巖漿具有高的Ba/La和Ba/Th值，而熔體交代的具有高的Th/Nd、Th/U和Th/Yb值.騰沖玄武巖具有高的Th/U和低的Ba/La值（圖5），反映其初始巖漿主要為熔體交代作用形成.利用微量元素比值可進(jìn)一步研究交代物質(zhì)的組成.Cheng等（2020）根據(jù)Ti/Eu、Hf/Sm、Hf/Hf*、Ti/Ti*、CaO/AlO、Hf/Sm和Sr/Ba比值的分布特征，指出騰沖初始巖漿交代物質(zhì)來源于碳酸鹽和硅酸鹽.Zou等（2017）依據(jù)騰沖玄武巖高的Th/Ta和Rb/Nb比值，認(rèn)為騰沖初始巖漿主要經(jīng)歷了硅酸鹽礦物的交代作用.

圖5 騰沖火山巖（a）Th/U-Th和（b）Ba/La-La/Sm圖（數(shù)據(jù)來源于Chen et al., 2002; Cheng et al., 2018; Cheng et al., 2020;樊祺誠等, 1999; Guo et al., 2015; Liu et al., 2017; Tian et al., 2018; Zhang et al., 2012; Zhou et al., 2012; Zou et al., 2017）Fig.5 The diagrams of (a) Th/U-Th and (b) Ba/La-La/Sm for Tengchong volcanic rocks (data from Chen et al., 2002; Cheng et al.,2018; Cheng et al., 2020; Fan et al., 1999; Guo et al., 2015; Liu et al., 2017; Tian et al., 2018; Zhang et al., 2012; Zhou et al.,2012; Zou et al., 2017)

俯沖板塊性質(zhì)對(duì)了解火山形成的動(dòng)力學(xué)過程具有重要作用.目前對(duì)俯沖的印度板塊是大洋板塊還是大陸板塊仍有一定的爭議.根據(jù)騰沖火山低Ba/La和Ba/Th值、高Sr/Sr和高Th含量，以及火山巖的Nd-Hf同位素分布特征，部分學(xué)者認(rèn)為巖漿源區(qū)交代物質(zhì)主要來源于大陸板塊.與之相反，較多學(xué)者認(rèn)為騰沖下方俯沖板塊主要為大洋板塊，例如，橄欖石、輝石斑晶中熔體包裹體的主微量指示騰沖下方為大洋板塊俯沖（Duan et al., 2019），玄武巖輕的Mg同位素指示巖漿源有大量碳酸鹽巖的貢獻(xiàn)，說明是大洋板塊的俯沖（Liu et al., 2017;Tian et al., 2018）.地球物理研究結(jié)果主要支持大洋板塊俯沖.Yao等（2021）的研究指出騰沖下方俯沖板塊在上地幔中的傾角約為60°，Lei等（2009）和Li等（2008）根據(jù)遠(yuǎn)震層析也同樣表明騰沖下方俯沖板塊的高角度特征.這種高角度俯沖板塊通常與大洋板塊俯沖有關(guān)（Yao et al., 2021），如安達(dá)曼海、蘇門答臘、爪哇和日本等俯沖帶下方的大洋板塊（Chen et al., 2015; Hall and Spakman, 2015;Liu et al., 2021; Mishra et al., 2020）.該傾角比西藏南部下方俯沖的印度大陸板塊（Chen et al., 2017）和西藏北部俯沖的阿拉善大陸板塊（Li et al., 2022;鄒長橋等, 2017）的俯沖傾角大得多.此外，地震活動(dòng)性也能提供部分俯沖傾角信息.地震活動(dòng)性顯示騰沖西側(cè)下方50～180 km范圍俯沖板塊是高角度的 [見 Yao等（2021）中圖7c]，與安達(dá)曼海（Kumar et al., 2016）、蘇門答臘（Liu et al., 2021）俯沖帶地震活動(dòng)性顯示的大洋板塊傾角具有很好的一致性.綜合地球化學(xué)與地球物理研究結(jié)果，騰沖下方俯沖板塊可能為大洋板塊.

2.2.3 巖漿源區(qū)

綜合地球物理和地球化學(xué)研究成果，前人提出五種騰沖火山巖漿源區(qū)，分別為交代的巖石圈地幔、交代的軟流圈地幔、交代的巖石圈地幔和軟流圈地幔的混合、富集地幔以及地幔轉(zhuǎn)換帶，下面對(duì)這五種地幔源區(qū)分別進(jìn)行闡述.

俯沖板塊交代的巖石圈地幔.Cheng等（2018）根據(jù)微量元素模型認(rèn)為騰沖初始巖漿源為交代的巖石圈地幔，該交代作用形成的地幔源與早期的俯沖事件相關(guān)，且作者認(rèn)為巖漿的噴發(fā)主要誘因?yàn)橛《劝鍓K旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致巖石圈減薄.然而，Chen等（2022）根據(jù)最新得到的玄武巖中橄欖石斑晶的He同位素（He/He值為4.1～8.2 Ra），指示騰沖巖漿有來源于軟流圈和巖石圈的物質(zhì)，因此認(rèn)為騰沖巖漿源區(qū)除了交代的巖石圈地幔外，還包含軟流圈地幔.

俯沖板塊交代的軟流圈地幔.Zhou等（2012）主要分析騰沖第四系火山巖的主微量和Sr-Nd-Pb-Hf同位素，提出騰沖火山巖的初始地幔先經(jīng)歷了早期印度大陸板塊俯沖，后又經(jīng)歷了印度洋板塊（很可能是“東印度洋海嶺”）的俯沖，從而形成了不均一的交代地幔源.Guo等（2015）分析了騰沖火山區(qū)主體火山巖的主微量元素和Sr-Nd-Pb同位素，認(rèn)為在55—8 Ma期間，向東俯沖的印度板片釋放熔流體交代了地幔楔中的軟流圈地幔.但是，有證據(jù)表明騰沖巖漿為二端元的混合（Chen et al.,2022; 趙勇偉和樊祺誠, 2010; Zhou et al., 2012），除了軟流圈地幔外，還有巖石圈地幔的貢獻(xiàn)：（1）研究區(qū)的Nb/La和La/Yb比值指示巖漿源區(qū)有巖石圈地幔物質(zhì)的加入（Zhou et al., 2012）；（2）巖漿源區(qū)有角閃石和金云母，反映有巖石圈地幔的貢獻(xiàn)（Guo et al., 2015）；（3）低的He/He比值（4.1～7.0 Ra）指示有巖石圈地幔的貢獻(xiàn)（Chen et al., 2022）.

俯沖板塊交代的巖石圈地幔和軟流圈地幔的混合.季建清（1998）、趙勇偉和樊祺誠（2010）根據(jù)地球化學(xué)同位素?cái)?shù)據(jù)，認(rèn)為騰沖巖漿源區(qū)為巖石圈地幔和軟流圈地幔熔體的混合.最近，Chen等（2022）根據(jù)玄武巖的全巖Nb/La、La/Yb、Sr同位素和橄欖石斑晶He同位素提出騰沖巖漿來源于巖石圈地幔熔體和軟流圈地幔熔體的混合，并且發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間推移，軟流圈物質(zhì)貢獻(xiàn)逐漸增加，這一現(xiàn)象可歸因于巖石圈減薄誘導(dǎo)的軟流圈物質(zhì)上涌.

古老俯沖板塊交代形成的富集地幔.周真恒等（2000）、從柏林等（1994）、李欣和劉嘉麒（2012）根據(jù)火山巖全巖主微量和Sr-Nd-Pb同位素特征提出騰沖火山巖可能來源于EM2型富集地幔，周真恒等（2000）認(rèn)為該富集作用與古大陸板塊的俯沖有關(guān).徐翠玲等（2012）根據(jù)火山巖地球化學(xué)特征類似于遠(yuǎn)洋沉積物和/或大洋巖石圈，提出騰沖火山源區(qū)可能是一種類似EM1的富集地慢.此外陳廷方（2003）和姚金等（2018）均認(rèn)為騰沖火山巖可能來源于富集地幔，該富集作用與古大洋板塊的俯沖有關(guān).雖然騰沖玄武巖的Sr-Nd同位素分布與1型和2型富集地幔相近，但騰沖玄武巖的Pb同位素遠(yuǎn)離這兩種富集地幔范圍，因此有學(xué)者認(rèn)為騰沖巖漿來源不是富集地幔（Cheng et al.,2018）.

地幔轉(zhuǎn)換帶.Lei等（2009）通過遠(yuǎn)震體波走時(shí)層析成像獲得了云南地區(qū)P波速度結(jié)構(gòu)，成像結(jié)果顯示騰沖火山區(qū)下方的低速異常從地殼向下延伸至400 km，因此認(rèn)為騰沖火山巖漿來源于地幔轉(zhuǎn)換帶，地幔轉(zhuǎn)換帶中的滯留板片釋放熔流體交代上覆地幔并發(fā)生部分熔融.但是目前尚無直接的地球化學(xué)證據(jù)支持巖漿來源于地幔轉(zhuǎn)換帶.

3 火山區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)研究

地球物理方法能夠獲得騰沖火山地區(qū)殼幔速度結(jié)構(gòu)，為火山的巖漿囊、巖漿來源以及騰沖火山的起源等科學(xué)問題提供重要信息.騰沖火山區(qū)的眾多地震成像、大地電磁和地?zé)嵫芯烤沂驹摰貐^(qū)地殼內(nèi)存在巖漿囊.然而，不同研究中巖漿囊的數(shù)量、范圍與深度均有較大的差異（Bai et al., 2001; 李雪壘等, 2017; Shen et al., 2022; 楊曉濤等, 2011; Ye et al., 2018; 趙慈平等, 2006; Zhao et al., 2021）.騰沖火山起源也存在較大的分歧，地震層析成像研究發(fā)現(xiàn)騰沖火山區(qū)下方殼幔深度范圍內(nèi)存在低速體，并推測火山形成與印度板塊俯沖和俯沖造成的熱物質(zhì)上涌有關(guān)（胡家富等, 2003; Huang and Zhao, 2006;Huang et al., 2019; Lei and Zhao, 2016），但也有研究認(rèn)為火山形成源自俯沖板塊的撕裂（Zhang et al.,2017）.

眾多地球物理研究發(fā)現(xiàn)騰沖火山區(qū)存在殼內(nèi)低速區(qū)，并認(rèn)為這是地殼存在巖漿囊的直接證據(jù).秦嘉政等（2000）通過層析成像發(fā)現(xiàn)火山區(qū)下方3～9 km 和15～24 km的低速異常區(qū)，推測其代表巖漿囊.Bai等（2001）利用大地電磁測深資料推測騰沖南部熱海下方5～25 km存在低速區(qū)，推測可能是巖漿囊.Wang等（2003）通過走時(shí)層析成像方法得到P波速度結(jié)構(gòu)，認(rèn)為火山區(qū)上地殼5～12 km存在明顯的低速區(qū).樓海等（2002）、Wang和Huangfu（2004）基于人工地震測深資料，推測上地殼的低速區(qū)與巖漿活動(dòng)有關(guān)，巖漿來自上地幔，低速來自巖漿分異作用.趙慈平等（2006）計(jì)算了騰沖火山區(qū)的相對(duì)地?zé)崽荻绕矫娣植?，發(fā)現(xiàn)三個(gè)地?zé)崽荻雀咧祬^(qū)并推斷存在三個(gè)巖漿囊.楊曉濤等（2011）通過走時(shí)層析成像獲得P波速度結(jié)構(gòu)，騰沖火山下方10～20 km存在水平展布20～30 km低速區(qū)，推測低速區(qū)代表殼內(nèi)巖漿源并可能通過騰沖斷裂通向地殼深處.姜枚等（2012）通過電磁法發(fā)現(xiàn)在黑空山和大、小空山下方存在深12～30 km、東西寬25 km的低阻體，并推測低阻體為巖漿囊.Yang等（2013）通過接收函數(shù)發(fā)現(xiàn)馬站-騰沖-馬鞍山和五合-龍江-團(tuán)田臺(tái)站下方區(qū)域地殼厚度薄、泊松比高，并且與趙慈平等（2006）給出的地?zé)崽荻雀咧祬^(qū)吻合，因此推斷這兩處是巖漿囊.張龍等（2015）采用接收函數(shù)方法計(jì)算泊松比，推測高泊松比臺(tái)站下方對(duì)應(yīng)于兩個(gè)巖漿囊.李雪壘等（2017）利用接收函數(shù)方法反演臺(tái)站下方S波速度，認(rèn)為騰沖火山區(qū)存在三處巖漿囊，分布在火山湖和老龜坡下方的S波低速區(qū)，以及黑空山和大、小空山下方的連通S波低速區(qū).Ye等（2018）通過三維大地電磁反演推測 10～30 km存在三個(gè)巖漿囊.基于 Chinarray-Himalaya一期密集臺(tái)站數(shù)據(jù)，區(qū)域地震走時(shí)層析成像（Shen et al., 2022）、背景噪聲面波（Zhao et al., 2021）、接收函數(shù)反演（Peng et al., 2021）揭示了地殼與上地幔頂部速度結(jié)構(gòu)，都顯示騰沖火山下方存在P波和S波低速區(qū).Zhao等（2021）利用背景噪聲面波成像方法得到S波速度結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)騰沖火山區(qū)下方20～35 km存在S波低速異常體，推測為巖漿囊（圖6）.Shen等（2022）通過區(qū)域地震走時(shí)層析成像得到P波速度結(jié)構(gòu)，根據(jù)P波低速異常推測存在一大一小兩個(gè)巖漿囊（圖7）.

圖6 基于背景噪聲成像獲得的騰沖火山S波速度結(jié)構(gòu)反演結(jié)果（修改自Zhao et al., 2021）.紅色三角形代表火山.黑線表示主要斷層，白線表示速度等值線.LCJF表示龍川江斷裂，DYJF代表大盈江斷裂，NJF為怒江斷裂，GLGSZ代表高黎貢剪切帶Fig.6 Inversion results of S-wave velocity structure of the Tengchong volcano field based on ambient noise tomography (modified from Zhao et al., 2021).The red triangles represent the volcanoes, black lines indicate major faults, and the white lines are velocity contours.LCJF: Longchuanjiang Fault, DYJF: Dayingjiang Fault, NJF: Nujiang Fault, GLGSZ: Gaoligong Shear Zone

圖7 基于P波走時(shí)成像獲得的騰沖火山區(qū)下方P波速度結(jié)構(gòu)剖面（修改自Shen et al., 2022）.LVZ代表地殼低速異常體.F1為大盈江斷裂，F(xiàn)2為騰沖斷裂，F(xiàn)3為龍川江斷裂.白色實(shí)線代表了速度異常-1.5%的等值線，藍(lán)黑色箭頭代表了熱物質(zhì)可能的上升方向Fig.7 Structural profile under Tengchong volcanic field based on P-wave travel time tomography (modified from Shen et al., 2022).LVZ represents low-velocity zone; F1, F2, and F3 denote Dayingjiang fault, Tengchong fault, and Longchuanjiang fault,respectively.White lines are contours of velocity anomaly with an amplitude of -1.5%.The dark blue arrow indicates the possible transportation direction of hot materials

地震層析成像研究普遍發(fā)現(xiàn)騰沖火山區(qū)下方地殼上地幔深度范圍內(nèi)存在低速體.Huang和Zhao（2006）通過走時(shí)層析成像獲得的P波速度結(jié)構(gòu)顯示，騰沖火山區(qū)下方的低速帶從地殼延伸至300 km之下，緬甸微板塊俯沖到歐亞板塊之下400 km，推測騰沖火山的起源與緬甸微型板塊俯沖密切相關(guān)，可能是向東俯沖引起的地幔物質(zhì)上涌而形成騰沖火山.Li等（2008）的體波地震波層析成像表明騰沖火山區(qū)下方的低速異常從地殼向下延伸至約150 km，推測低速異常與俯沖有關(guān).胡家富等（2003）利用穿越緬甸弧及周邊地區(qū)的530條瑞利波頻散數(shù)據(jù)，獲取緬甸弧及周邊地區(qū)的S波速度三維結(jié)構(gòu)，他們認(rèn)為騰沖火山形成與150 km深度處巖漿部分熔融有關(guān).Lei等（2009）利用云南地區(qū)的35個(gè)地震臺(tái)站，通過遠(yuǎn)震體波走時(shí)層析成像獲得了云南地區(qū)P波速度結(jié)構(gòu)，成像結(jié)果顯示騰沖火山區(qū)下方的低速異常從地殼向下延伸至400 km，并在約250～400 km向東北方向延伸，認(rèn)為騰沖火山的熱物質(zhì)源自約400 km深度處，因此推測火山形成與印度板塊俯沖脫水造成熱物質(zhì)上涌密切相關(guān)（圖8）.Lei和Zhao（2016）的體波地震波層析成像顯示，騰沖火山區(qū)下方的低速帶延伸至～300 km深度.Zhang等（2017）的接收函數(shù)研究發(fā)現(xiàn)410-km和660-km間斷面的下沉，但地幔轉(zhuǎn)換帶的厚度處于全球平均水平，結(jié)合地震成像結(jié)果，他們認(rèn)為騰沖下方地幔轉(zhuǎn)換帶中存在俯沖板塊，但俯沖板塊與上地幔中的板塊不相連，因此板塊在上地幔中發(fā)生撕裂，并推測騰沖火山起源與俯沖板塊在上地幔的撕裂密切相關(guān)（圖9）.Xu等（2018）的接收函數(shù)研究發(fā)現(xiàn)騰沖火山區(qū)下方410-km間斷面下沉，認(rèn)為騰沖火山物質(zhì)可能來自地幔轉(zhuǎn)換帶并很有可能與印度板塊俯沖相關(guān).Huang等（2019）通過體波層析成像發(fā)現(xiàn)騰沖火山區(qū)下方的低速異常從地殼向下延伸至400 km，在410-km和660-km間斷面之間發(fā)現(xiàn)高速異常體，并認(rèn)為該高速體為滯留的印度板塊.

圖8 地幔轉(zhuǎn)換帶中印度板塊脫水造成熱物質(zhì)上涌形成騰沖火山（修改自Lei et al., 2009）.印度板塊俯沖至地幔轉(zhuǎn)換帶釋放熔流體導(dǎo)致軟流圈熔融物質(zhì)上涌噴出地表，形成騰沖火山.三角形顯示騰沖板內(nèi)火山，細(xì)曲線表示斷裂帶，小白點(diǎn)表示地震（1964—2004年，M＞3.0）Fig.8 The dehydration of the Indian plate in the mantle transition zone causing the upwelling of hot asthenosphere to form the Tengchong volcano (modified from Lei et al.,2009).The subduction of the Indian plate into the mantle transition zone released melt/fluid, resulting in the upwelling of the asthenosphere material and thus forming the Tengchong volcano.The triangle shows the Tengchong intraplate volcano.Thin curves denote the fractured fault zones.Small white dots denote earthquakes (1964—2004, M ＞ 3.0)

總之，騰沖火山區(qū)域的殼內(nèi)巖漿囊分布范圍，巖漿來源和騰沖火山的形成機(jī)制還存在較大爭議.不同研究得到的結(jié)果存在差異，這是觀測數(shù)據(jù)的有限性、數(shù)據(jù)處理方法的局限性以及地球物理反演問題的多解性等多種因素共同作用造成的.利用更豐富數(shù)據(jù)、更先進(jìn)地球物理方法獲得高分辨率殼幔結(jié)構(gòu)模型將有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)巖漿囊在地殼中的分布與俯沖板塊形態(tài).

4 火山形成的地球動(dòng)力學(xué)過程

騰沖火山形成的動(dòng)力學(xué)過程一直以來都是研究熱點(diǎn)，前人開展了大量的地球物理和地球化學(xué)方面的研究工作，但對(duì)火山成因的認(rèn)識(shí)仍存在爭議，目前主要有三種騰沖火山成因模式：板塊撕裂、地幔轉(zhuǎn)換帶中板片脫水和巖石圈伸展.地震學(xué)能夠獲得騰沖火山地區(qū)殼幔速度結(jié)構(gòu)，地球化學(xué)分析可以給出巖漿源區(qū)性質(zhì)和可能的來源深度，兩者都能為騰沖火山起源提供重要信息.本文綜合地球物理和地球化學(xué)研究，以期為騰沖火山起源提供多方面的參考依據(jù).

4.1 板塊撕裂

前人提出騰沖下方巖漿的部分熔融是由于后期有熱流物質(zhì)通過板片窗口上涌，對(duì)于板塊窗口的形成機(jī)理，研究者提出了兩種板塊撕裂模式.第一種是板塊旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的撕裂，由Guo等（2015）提出.他們認(rèn)為在約8 Ma時(shí)，印度板塊和亞洲板塊之間的匯聚角發(fā)生了急劇變化.這一變化導(dǎo)致緬甸—騰沖地塊發(fā)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并且俯沖的印度板塊發(fā)生回撤.在這兩種運(yùn)動(dòng)的共同作用下，俯沖的印度板塊撕裂形成窗口，板片下方的熱流物質(zhì)向上運(yùn)移.熱的軟流圈加熱緬甸—騰沖地塊下方先前富集的地幔楔，最終導(dǎo)致地幔源區(qū)發(fā)生部分熔融和巖漿噴發(fā).第二種撕裂模式主要與板塊密度差有關(guān)，由Zhang等（2020）提出.他們認(rèn)為騰沖下方板片的撕裂可能發(fā)生在印度陸殼與洋殼的轉(zhuǎn)換帶之間，由于兩種板片密度的差異導(dǎo)致板片撕裂，形成板片窗口，熱的軟流圈物質(zhì)上涌導(dǎo)致了上部交代地幔的部分熔融.板片撕裂導(dǎo)致巖漿源區(qū)發(fā)生部分熔融，也有相關(guān)的地球物理研究結(jié)果.Zhang等（2017）基于密集喜馬拉雅I期流動(dòng)地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)，采用接收函數(shù)方法對(duì)青藏高原東南緣地區(qū)地幔轉(zhuǎn)換帶410-km和660-km間斷面進(jìn)行成像，其結(jié)果揭示板塊俯沖至410 km，造成410-km間斷面的上凸，同時(shí)板塊在上地幔發(fā)生撕裂，形成板片窗口（圖9）.

圖9 俯沖板塊在上地幔中的撕裂形成騰沖火山（修改自Zhang et al., 2017）.板塊俯沖至410 km，造成410-km間斷面的上凸，同時(shí)板塊在上地幔發(fā)生撕裂，形成板片窗口，熱物質(zhì)穿過窗口造成地幔楔部分熔融Fig.9 The tearing of the subduction plate in the upper mantle contributed to the formation of the Tengchong volcano (modified from Zhang et al., 2017).The plate subducted to 410 km, resulting in the uplift of the 410-km discontinuity, and the plate tearing occurred in the upper mantle, forming a plate window.Partial melting in the mantle wedge is caused by upwelling hot asthenosphere that passes through the plate window

4.2 地幔轉(zhuǎn)換帶中板片脫水

基于云南省地震臺(tái)站數(shù)據(jù)，Lei等（2009）利用遠(yuǎn)震和區(qū)域地震走時(shí)聯(lián)合反演方法，獲得了騰沖火山區(qū)下方地殼和上地幔的P波速度結(jié)構(gòu).該P(yáng)波速度結(jié)構(gòu)顯示火山區(qū)下方有一個(gè)寬度約100 km向下延伸到410 km的低速區(qū)，并且該低速區(qū)在250～400 km深度范圍內(nèi)向東北方向延伸.基于上述發(fā)現(xiàn)，Lei等（2009）提出了騰沖火山起源的地幔楔模型（圖8）：印度板塊俯沖穿過了騰沖下方410-km間斷面，地幔轉(zhuǎn)換帶中的滯留板塊發(fā)生脫水作用，釋放熔流體交代地幔楔，交代地幔物質(zhì)沿著拉張裂隙上涌噴出地表形成火山.后期相繼有不同學(xué)者利用更密集的臺(tái)站數(shù)據(jù)判斷地幔結(jié)構(gòu)，同樣認(rèn)為騰沖火山形成可能來源于地幔轉(zhuǎn)換帶（Huang et al.,2015; Xu et al., 2018）.但是地球化學(xué)研究方面目前尚無直接證據(jù)支持巖漿來源于地幔轉(zhuǎn)換帶.中國東北五大連池火山——起源于地幔轉(zhuǎn)換帶中滯留板片的脫水作用（Yang and Faccenda, 2020），五大連池火山巖具備高的親水參數(shù)特征，如高K/U（≈ 50 000），Ba/Th（≈ 400）和 Pb/U（≈ 16.7）.相比之下，騰沖火山的K/U、Ba/Th和Pb/U比值分別為 1 340～9 434（平均 3 186）、25～104（平均52.3）和7.3～16.7（平均9.5）.顯然，騰沖火山的這些比值與五大連池火山有很大不同，暗示了騰沖火山形成與地幔轉(zhuǎn)換帶中滯留板塊脫水關(guān)系不強(qiáng).

4.3 巖石圈伸展

地球化學(xué)和地球物理均指示騰沖巖石圈發(fā)生了伸展作用，巖石圈的減薄誘導(dǎo)了軟流圈物質(zhì)上涌.Wang等（2007）根據(jù)大量地表觀察研究指出騰沖火山形成于拉分的裂谷盆地，在早-中更新世期間，騰沖地區(qū)發(fā)生NW-SE向伸展作用，火山作用幾乎與區(qū)域構(gòu)造同時(shí)發(fā)生.Chen等（2022）根據(jù)微量元素和Sr-He同位素的時(shí)間演化，提出這主要是由于俯沖印度板塊的回撤作用.緬甸—騰沖地體從約8 Ma開始發(fā)生了東西向的伸展作用（Harrison et al., 1992; Lee et al., 2016; Mo et al., 2006; Tapponnier et al., 1982）.這一過程誘導(dǎo)了富集地幔的減壓熔融，早期噴出巖漿表現(xiàn)出更多的巖石圈地幔特征，后期噴出巖漿則表現(xiàn)出更多的軟流圈地幔特征（Chen et al., 2022）.騰沖火山巖屬于鈣堿性玄武巖，此類巖石可在大陸伸展作用下噴發(fā)（Beier et al., 2012; Depaolo and Daley, 2000; Hawkesworth et al., 1995; Thompson and Gibson, 1994），噴發(fā)的巖漿具有組分和同位素的時(shí)空演化特征（Cheng et al.,2018; Zou et al., 2017），類似于美國西南部盆嶺?。˙asin and Range Province）裂谷盆地中的火成巖（Hawkesworth et al., 1995）.并且，趙慈平等（2012）和Zhang等（2021a）在騰沖火山區(qū)觀察到地幔揮發(fā)物的強(qiáng)烈釋放，認(rèn)為這種現(xiàn)象是由巖石圈減薄引起的.地球物理研究方面，接收函數(shù)成像研究揭示騰沖下方LAB深度可能有變化，騰沖盆地中央下方LAB深度約為80 km，盆地東部和西部邊緣下方LAB深度約為90 km（Hu et al., 2012;Yang et al., 2017; Zhang et al., 2015），盆地中央的巖石圈厚度較盆地邊緣的薄，可能說明該地區(qū)發(fā)生了巖石圈的伸展減薄.

巖石圈的伸展減薄誘導(dǎo)了軟流圈物質(zhì)的部分熔融，這一過程可能與以下地球物理研究結(jié)果一致.Wei等（2012）利用地震走時(shí)層析成像方法，獲得東亞地區(qū)地殼和地幔的P波速度結(jié)構(gòu)，深度1 000 km.在P波速度結(jié)構(gòu)中，騰沖火山區(qū)下方地殼至150 km的地幔呈現(xiàn)顯著的低速異常，該低速異常體可能代表巖石圈伸展作用導(dǎo)致的軟流圈物質(zhì)部分熔融.

5 結(jié) 論

本文總結(jié)了騰沖火山近年來的地球物理和地球化學(xué)研究成果，總結(jié)如下：

（1）騰沖火山下方地殼中（5～40 km）具有不同尺度巖漿囊系統(tǒng).火山區(qū)下方低速體延伸至上地幔，很可能反映地殼中的巖漿囊有地幔熱物質(zhì)的持續(xù)供給.巖漿物質(zhì)主要通過深大斷裂噴出地表.

（2）騰沖火山的形成與板塊俯沖有關(guān).早期俯沖形成的殘余大洋板片和現(xiàn)今俯沖的印度板塊都可能是交代物質(zhì)的來源，大洋板片在深部釋放融流體形成富集的軟流圈地幔和/或巖石圈地幔.噴出的玄武巖遭受到地殼混染作用不明顯，而安山巖和英安巖遭受地殼混染作用明顯.

（3）騰沖火山下方巖石圈發(fā)生了伸展作用，裂谷中央的巖石圈厚度較裂谷邊緣的薄.火山噴發(fā)與裂谷形成同期發(fā)生，地球化學(xué)研究指示巖石圈的減薄誘導(dǎo)了軟流圈物質(zhì)上涌.

這些結(jié)果為研究騰沖火山起源提供了重要約束.騰沖巖石圈伸展作用對(duì)巖漿噴發(fā)具有重要作用.