2017, Vol. 33
2. 中国地质大学地球科学学院, 武汉 430074;
3. 贵州省地质调查院, 贵阳 550004
2. Faculty of Earth Sciences, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;
3. Guizhou Academy of Geological Survey, Guiyang 550004, China
腾冲地区星罗棋布地分布着一系列新近纪以来的火山岩，是中国大陆最年轻的火山区之一，其地处印度-欧亚板块俯冲碰撞的前缘带，构造变形强烈，岩浆活动频繁，高温地热显著，一直是我国地质学家关注的热点地区之一(穆治国等, 1987; 姜朝松, 1998; Chen et al., 2002; 李锡康等, 2004; Zou et al., 2010, 2014; 郭正府等, 2011; 林木森等, 2014a, b; 李琳琳等, 2015)。近年来，国内外研究者对腾冲火山岩开展了诸多研究，但对岩浆源区特征与构造环境尚有不同的认识。部分学者认为，腾冲火山岩的岩浆源区是来源于富集地幔，岩浆演化过程中混合了不同比例的壳源组分(朱炳泉和毛存孝, 1983; 穆治国等, 1987; 从柏林等, 1994; 樊祺诚等, 1999, 2001; 赵勇伟和樊祺诚, 2010; 李欣和刘嘉麒, 2012)。然而，Ren et al. (2005)认为岩浆来源于亏损地幔，并在上升侵位或在地壳储存过程中受到地壳物质的混染。最近，Zhou et al. (2012)通过对火山岩Sr-Nd-Pb-Hf同位素的研究，证明源区存在多相地幔源，且岩浆的产生与侵位与南北向的走滑断裂带相关。
腾冲火山喷发活动具有多期多次性，穆治国等(1987)通过K-Ar法对该区的火山岩进行了较为系统的年代学研究，其年龄域在0.09~17.84Ma之间。近年，石玉若等(2012)和李琳琳等(2015)应用SHRIMP测试技术对腾冲火山岩中的锆石进行了U-Pb年代学研究。目前，K-Ar法及锆石U-Pb定年的方法对于新近纪以来的火山岩年代学研究仍存在不准确性，而40Ar/39Ar法对于确定年轻火山喷发时代可靠性较高。本文在对腾冲火山区进行野外考察的基础上，首次对腾冲芒棒一带的粗面安山岩进行了高精度的40Ar/39Ar年代学研究，并结合岩石学和地球化学特征，探讨了岩浆源区特征，及其地质构造演化意义。
1 地质背景与样品描述腾冲地块位于青藏高原东南缘，东以怒江缝合带与保山地块相隔，西以密支那缝合带与印度板块(缅甸地块)相接，经历了早白垩世中特提斯怒江洋、晚白垩世-始新世新特提斯密支那洋的俯冲拼合(季建清等, 2000; 戚学祥等, 2011)，新生代岩浆活动强烈，断陷盆地发育。新近纪以来，腾冲地区火山活动尤甚，火山岩分布面积在750km2以上，岩性主要以玄武岩-安山岩-英安岩为主，属钾玄-高钾钙碱性岩系列火山岩(穆治国等, 1987)。姜朝松(1998)将该区的火山活动划分为4期，依次为上新世、早更新世、中-晚更新世、全新世，呈现出从盆地中部向东、西两侧由新逐渐变老的特点(图 1)。
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图 1 腾冲地区新近纪以来火山分布图(据姜朝松, 1998) Fig. 1 Distribution map of volcanic rocks since Neogene in Tengchong area (after Jiang, 1998) |
本研究火山岩样品采自云南腾冲县芒棒乡北约4km的大石头山采石场(图 1)。研究区的粗面安山岩属姜朝松(1998)腾冲新生代火山岩分期序列中的第一期(上新世)，但本次野外地质调查和室内研究表明，其形成于早更新世，为第二期火山活动的产物，且可分为两个阶段。
早阶段粗面安山岩(TC-23-1、TC-25-1、TC-25-2、TC-25-7、11-MB-3)，灰黑色，气孔-杏仁构造发育，聚斑结构(图 2c)，基质呈间粒结构和间隐结构，可见较多深源捕掳体，被晚阶段粗面安山岩所包裹，二者间可见冷凝边现象(图 2b)。斑晶占20%~25%，斜长石(含量约为10%)，自形程度较高，多呈板柱状，粒径约为0.2~0.5mm，双晶发育，部分可见环带，局部绿泥石化；辉石(5%~10%)粒径约为0.2~0.5mm，电子探针分析显示主要包括古铜辉石和普通辉石，局部绿泥石化；斑晶中有少量聚合斑晶矿物的集合体，呈聚斑结构，主要由斜长石和辉石组成。光学显微镜下观察，斑晶未见有变形双晶、扭折带、变形纹等明显的变形现象，推断斑晶应属火山岩浆结晶作用的产物，而非地幔岩捕虏晶。基质占75%~80%，主要为斜长石(25%~35%)、辉石(10%~15%)，以及隐晶质、针柱状微晶体和暗色矿物，含较多黏土矿物。
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图 2 粗面安山岩宏观特征与微观特征 (a)灰白色粗面安山岩球形风化；(b)冷凝边；(c)聚斑结构(正交偏光)；(d)斜长石和辉石斑晶(正交偏光) Fig. 2 Macro and micro characteristics of trachyandesite |
晚阶段粗面安山岩(TC-9-1、TC-25-4、11-MB-2-1、11-MB-2-2)，灰白色，气孔-杏仁构造，斑状结构，基质呈间粒结构和间隐结构，可见少量深源捕掳体，在研究区分布较广，球形风化严重(图 2a)。斑晶占20%~25%，其中斜长石(含量约为10%)，自形程度较高，多呈板柱状，粒径约为0.2~0.5mm，大者可达1~1.5mm，双晶发育，部分可见环带；古铜辉石和普通辉石(含量约为5%~10%)粒径约为0.3~0.6mm。斑晶的显微特征与早阶段粗面安山岩类似，均属火山岩浆结晶作用的产物。基质占75%~80%，主要为斜长石(25%~35%)、辉石(10%~15%)，以及隐晶质、针柱状微晶体和暗色矿物，基质粒度较早阶段大。
2 分析测试方法粗面安山岩全岩40Ar/39Ar测年样品挑选在河北廊坊地质调查研究所实验室完成。选择新鲜样品，粉碎到40~60目，剔除斑晶和风化蚀变部分，将基质送入北京中国原子能研究院49-2反应堆H8孔道照射47.5h，中子通量的变化约为3%/cm。40Ar/39Ar测年在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室完成，采用GV-5400质谱仪进行常规加热和激光熔样，具体分析流程见文献(王非等, 2004)。经测定，Ca、K同位素干扰Ar同位素的校正因子为：(36Ar/37Ar)Ca=2.6088×10-4，(39Ar/37Ar)Ca=7.236×10-4，(40Ar/39Ar)K=2.648×10-2，数据处理软件为ArArCALC ver 2.2c(Koppers, 2002)，分析测试结果见表 1。
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表 1 粗面安山岩常规加热法Ar-Ar测年结果 Table 1 Results of 40Ar/39Ar dating for trachyandesite |
常量和微量地球化学元素分析选择新鲜均一代表性样品，经表面去皮、清洗、粉碎至200目。常量元素分析采用X-射线荧光光谱仪(XRF)方法在湖北武汉地质实验测试中心完成，并用等离子光谱法进行校正，检测方法依据GB/T 14506—1993，精度优于3%。微量元素和稀土元素分析采用Agilent 7500a ICP-MS在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)完成，精度优于1%~3%，详细的样品消解处理过程、分析精度见Liu et al. (2008)。粗面安山岩常量和微量元素分析测试结果见表 2。
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表 2 粗面安山岩常量元素(wt%)和微量元素(×10-6) Table 2 Chemical compositions of major elements (wt%) and trace elements (×10-6) for trachyandesite |
两阶段粗面安山岩2个年龄分析样品采样位置见图 1，火山岩全岩40Ar/39Ar同位素分析数据见表 1，年龄图谱见图 3。
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图 3 粗面安山岩坪年龄和36Ar/40Ar-39Ar/40Ar等时线 Fig. 3 40Ar/39Ar age spectra and isochron for trachyandesite |
样品TC-23-1为早阶段灰黑色粗面安山岩，在750~1280℃温度区间内，对全岩样品进行了13个阶段的加热分析(表 1)，其中10个加热阶段(从800℃到1200℃)的谱线相对比较平坦(图 3a)，由此获得的参考坪年龄为2.1±0.1Ma(MSWD=2.57)，占39Ar释放量的76.92%，相应的反等时线年龄为2.1±0.2Ma(MSWD=2.88)(图 3b)，40Ar/36Ar初始比值为296.5±15.7。
样品TC-25-4为晚阶段灰白色粗面安山岩，在730~1380℃温度区间内，对全岩样品进行了10个阶段的加热分析(表 1)，其中6个加热阶段(从830℃到1180℃)的谱线相对比较平坦(图 3c)，由此获得的参考坪年龄为2.0±0.1Ma(MSWD=3.1)，占39Ar释放量的60%，相应的反等时线年龄为2.0±0.1Ma(MSWD=3.75)(图 3d)，40Ar/36Ar初始比值为299.7±19.9。
综上所述，2件样品的40Ar/36Ar初始比值均接近于尼尔值(295.5)，表明样品中没有过剩氩的存在(桑海清等, 1992)，且各自的等时线年龄与坪年龄在误差范围内完全一致，说明该区粗面安山岩的喷发时代集中在2.0~2.1Ma之间，属早更新世。
3.2 地球化学特征粗面安山岩主量、微量和稀土元素分析结果见表 2。按Na2O+K2O-SiO2(图 4)图解，两阶段粗面安山岩均位于亚碱性粗面安山岩区内，根据SiO2-K2O(图 5)图解进一步得出其属高钾钙碱性系列。灰黑色粗面安山岩SiO2=56.80%~57.13%，MgO=3.98%~4.16%，Na2O+K2O=6.08%~6.55%；灰白色粗面安山岩SiO2=57.20%~57.43%，MgO=3.80%~3.92%，Na2O+K2O=6.21%~6.71%，均显示出富碱中性火山岩的特征，两者的主量元素氧化物含量不存在显著的差异。
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图 4 粗面安山岩TAS图解 Fig. 4 TAS classification diagram for trachyandesite |
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图 5 粗面安山岩SiO2-K2O图解 Fig. 5 SiO2 vs. K2O plot for trachyandesite |
由球粒陨石标准化稀土配分模式图(图 6a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(图 6b)可以看出，两阶段粗面安山岩的分配模式近乎一致。两者稀土元素总量介于261.4×10-6~283.0×10-6，轻稀土强烈富集，LREE/HREE比值较高，介于12.9~13.7，具负Eu异常(δEu=0.74~0.79)。球粒陨石标准化稀土元素配分曲线(图 6a)，表现为右倾配分型式，轻稀土部分斜率陡，而重稀土部分曲线缓倾近水平，显示有幔源岩浆物质加入的特征。在原始地幔标准化微量元素蛛网图上(图 6b)，样品均普遍亏损Nb、Ta和Ti，富集大离子亲石元素，总体呈略右倾分布。
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图 6 粗面安山岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式(a)和原始地幔标准化微量元素蛛网图(b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989) Fig. 6 Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle-normalized trace element spider diagrams (b) for trachyandesite (normalized values after Sun and McDonough, 1989) |
上述两阶段粗面安山岩的地球化学特征近乎一致，且侵位时代和产状相近，表明二者具有同源岩浆房。
4 讨论 4.1 岩浆源区和岩石成因粗面安山岩中的聚斑结构暗示岩浆在最终喷出之前曾经在岩石圈的不同深度水平上停留过，并在那里经历了复杂的岩浆过程(罗照华等, 2011)。岩浆在分离结晶作用中，La/Sm基本保持为一常数，而在平衡部分熔融过程中，随着La快速进入熔体，Sm也会在熔体中缓慢富集，La/Sm将明显增大(Allègre and Minster, 1978)。该套粗面安山岩的(La/Sm)N值为5.17~5.56，变化不大，暗示其在岩浆演化过程中存在分离结晶现象。在Harker图解(图 7)中，粗面安山岩的MgO与SiO2呈负相关、与Ni的相关性不明显，显示橄榄石的结晶分异作用不明显，而且MgO与K2O、Na2O相关性不明显，表明不存在角闪石的结晶分异作用，但MgO与CaO呈正相关关系、与Al2O3呈负相关关系，表明存在单斜辉石的结晶分异作用。另外，MgO与Ba、Sr均呈负相关关系，且粗面安山岩普遍具有中等偏弱的Eu负异常(δEu=0.74~0.79)，暗示岩浆演化早期有少量斜长石分离结晶或岩浆源区有少量斜长石残留。其微量元素蛛网图上亏损Ti和P，可能受到磷灰石和Ti-Fe氧化物分离结晶的影响，或者岩浆有来源于古老的弧源地壳的成分(翟明国等, 2005)。
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图 7 粗面安山岩Haker图解 Fig. 7 Haker diagrams for trachyandesite |
通常由下部陆壳玄武质岩石局部熔融形成的熔体，其Mg#小于40(Atherton and Petford, 1993)，本样品Mg#介于50.4~53.0，表明其由下地壳局部熔融的可能性很小。此外，该套火山岩的Y和Yb丰度值十分稳定，平均值分别为28.1×10-6和2.43×10-6，高于地壳物质局部熔融形成的埃达克岩的相应值(王强等, 2001; Defant and Drummond, 1990)，也暗示其并非下部陆壳局部熔融的产物。然而，这套火山岩具有富钾(K2O平均为3.03%，K2O/Na2O平均为0.89)，不相容元素含量较高，具有高LILE/HFSE比值，呈明显的壳源组分特征。通常认为地壳混染作用会显示非常高的Th/Nb值(远大于1)(Saunders et al., 1992)，而粗面安山岩的Th/Nb为0.70~0.74，表明岩浆在上升过程中遭受强烈地壳物质混染的可能性较小，暗示腾冲更新世粗面安山岩源区曾经历了富集演化过程。
此外，粗面安山岩明显富集LREE和Th，相对亏损高场强元素(Nb、Ta、P、Ti)，结合岩石钙碱性和高Mg#等特征，认为其与岛弧或活动大陆边缘弧岩浆类似(Gill, 1987; Battistini et al., 1998)，表明俯冲板片熔体对源区具有改造作用。在Th/Yb-Ta/Yb图解中(图 8)，MORB和未受混染的板内玄武岩构成了Th和Ta相等程度富集变化的趋势，板内富集作用和结晶分异作用都不会造成这种变化趋势的改变，但俯冲带流体交代作用以及地壳混染作用会造成Th的相对富集，从而使得岛弧和活动大陆边缘的玄武岩均具有明显较高的Th/Yb比值(Pearce, 1983)；粗面安山岩具相对富集的Ta/Yb比值和明显偏高的Th/Yb比值，与活动大陆边缘玄武岩相近，也暗示了其地幔富集作用与洋壳俯冲消减作用有关(Wilson, 1989)。
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图 8 粗面安山岩Ta/Yb-Th/Yb图解 Fig. 8 Ta/Yb vs. Th/Yb diagrams for trachyandesite |
腾冲地块在中生代以来经历了多期复杂的构造运动，早白垩世中特提斯怒江洋向西俯冲，腾冲地块与保山地块碰撞造山，晚白垩世-始新世新特提斯密支那洋向腾冲地块下俯冲，导致腾冲地块与印度板块(缅甸地块)碰撞拼贴(季建清等, 2000; Chung et al., 2005; Mo et al., 2007; 戚学祥等, 2011; 莫宣学, 2011)。因此，腾冲地块岩石圈下地幔曾遭受了两期俯冲地壳物质的改造作用。
40Ar/39Ar同位素定年结果表明，该区粗面安山岩喷发时特提斯洋已经闭合，属于大陆板内环境，为印度-欧亚板块碰撞后的岩浆作用产物(Chung et al., 2005)。然而，样品Al2O3含量较高，介于16.40%~16.70%，Al2O3/CaO=2.62~2.73，高于地幔岩和球粒陨石的比值(l.0~1.2)；TiO2含量为1.18%~1.26%，低于大陆裂谷碱性玄武岩TiO2平均值(2.2%)，高于岛弧区钙碱岩性火山岩(0.58%~0.85%)的特征，显示这套火山岩兼具板内和弧火山性质的双重特征，推测其形成于活动大陆边缘后造山环境，这与本区新生代构造背景由俯冲-碰撞构造环境转化为板内构造环境是一致的(邓晋福等, 1996)。
上述研究表明，很可能在中-新特提斯洋消减过程中俯冲带流体及壳源物质交代富集了地幔源区。在印度-欧亚板块碰撞过程中，地壳急剧缩短，岩石圈持续加厚，随着后期下插的新特提斯俯冲板片的断离，引起了该区下部岩石圈地幔的对流减薄和变热，从而导致交代岩石圈地幔发生部分熔融，而印支陆块向东南逃逸以及腾冲弧形走滑断裂带(龙川江断裂带、大盈江断裂带)的活化促使了火山岩的喷发与侵位。更新世火山岩在龙川江河谷沿龙川江断裂带由北向南线性分布，基本在空间位置上与龙川江断裂带契合，也反映了龙川江断裂带对更新世火山活动的控制。
5 结论(1) 腾冲芒棒地区的粗面安山岩40Ar/39Ar年龄为2.0~2.1Ma，属早更新世；
(2) 粗面安山岩属高钾钙碱性系列，富集大离子亲石元素、亏损高场强元素，具有弧火山岩与大陆板内火山岩的双重属性，来源于与俯冲相关的富集地幔，推测其形成于后造山环境；
(3) 腾冲地块更新世火山岩的形成与印度-欧亚板块碰撞造山隆升后的伸展垮塌、富集地幔部分熔融密切相关，而印支陆块向东南逃逸及腾冲弧形走滑断裂带的活化，促使该期火山岩的喷发与侵位。
致谢 感谢云南有色地质局李志群、云南省地震局赵慈平高级工程师在野外工作中的大力帮助！感谢Ali Polat教授在成文过程中给予的帮助！衷心感谢两位匿名审稿专家提出的许多建设性宝贵意见！| [] | Allègre CJ, Minster JF. 1978. Quantitative models of trace element behavior in magmatic processes. Earth and Planetary Science Letters, 38(1): 1–25. DOI:10.1016/0012-821X(78)90123-1 |
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