云南腾冲全新世火山源区性质及其岩浆演化

李 欣 刘嘉麒 孙春青 杜德道 王 石

1)中国石油勘探开发研究院，石油工业标准化研究所，北京 100083

2)中国科学院地质与地球物理研究所，新生代地质与环境研究室，北京 100029

0 引言

腾冲新生代火山区位于云南省西南边陲，构造位置处于三江构造带西部，怒江构造带和那帮构造带之间(季建清等，2000)。地处印度板块俯冲碰撞的最前缘，以构造变形异常醒目、岩浆活动频繁、新生代火山活动和高温地热异常闻名遐迩，尤其是现存4座全新世以来都有过喷发历史的年轻火山，使该区成为中国境内最年轻火山区之一。从20世纪80年代以来一直是中国火山学家关注的热点地区之一。腾冲地块中的火山岩分布于狭窄的NE—NNE向的弧形盆地中，火山熔岩分布面积792km2(姜朝松，1998a)。火山活动始于中新世，喷发活动延续至全新世，17.8～0.09Ma(穆志国等，1987;姜朝松，1998b)，具有明显的多期活动性质和从盆地中部向东、西两侧由新逐渐变老的特点。以往研究(皇甫岗等，2000;赵勇伟等，2010)表明，腾冲新生代火山活动可分为4期(图1)。通过野外考察发现，黑空山熔岩覆盖面积最广，最北可以到达团山，最东可达曲石，最南部可以覆盖到铁锅山以南。前人(Zhu et al.，1983;穆治国，1987;丛柏林等，1994;夏明等，1995;樊祺诚，1999，2001;李大明等，2000;Wang et al.，2006;Zou et al.，2010;赵勇伟等，2010)对本区火山岩进行了火山地质学、岩石地球化学与年代学研究，并对腾冲火山喷发期次进行划分。虽然不同学者划分期次有所不同，但是都把黑空山、打莺山、马鞍山和老龟坡划归为本区全新世时期有喷发记录的火山。腾冲全新世火山活动表现出从中北部向南部迁移的活动特征，从黑空山、打莺山、马鞍山一线向南部热海地区迁移。通过地球物理(白登海等，1994)和地热(赵慈平等，2006)研究表明，马站和荷花－热海地区存在地下岩浆囊，北部与南部岩浆囊可能相连(谭捍东，2013)。证明腾冲全新世火山活动从北向南迁移并可能尚未结束。

图1 腾冲火山岩分布图(据皇甫岗等，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 岩石化学组成

1.1 主量元素

主量元素分析表明，腾冲全新世火山岩以粗面玄武岩、玄武粗安岩、粗安岩和英安岩为主(图2)，属于高钾钙碱性系列(图3)。这套钾质粗面玄武岩K2O平均含量为3.03%，相对于正常钙碱性系列火山岩而言，仍然表现为较高含量，不同于通常的岛弧区钙碱性系列火山岩，在AFM图(图5)上，样品点均落于高钾钙碱系列火山岩区域，具有陆内火山岩高钾的典型地球化学特征(Wilkinson et al.，1987)。在Harker图解(图4)上，火山岩的TiO2、Al2O3、MgO、CaO与SiO2之间存在负相关关系;然而，K2O与SiO2具有良好的正相关关系。良好的协变关系表明3座火山岩浆同源，经历不同程度的后期演化，形成了从基性到酸性均有分布的火山岩组合。随着火山岩SiO2含量增加，MgO与CaO含量减少，全碱含量(NaO+K2O)增加，说明高钾钙碱性岩浆经历了岩浆房阶段辉石、钛铁矿的结晶分离作用和岩浆上升过程中斜长石的结晶分离作用(赵勇伟等，2010)。上述特征进一步证实，腾冲3座全新世火山的喷发物成分之间存在着分离结晶的演化关系。这一认识与前人(樊祺诚，1999;赵勇伟等，2010)的研究结论一致，腾冲火山区之下的壳－幔边界或壳内岩浆房的岩浆将向更具爆炸性和灾害性的富硅、富碱的酸性岩浆演化。

图2 腾冲全新世火山岩TAS图(据Le，1989).2 TAS diagram for volcanic rocks in Tengchong(after Le，1989).

图3 腾冲全新世火山岩SiO2－K2 O关系图SiO2－K2 O diagram of Holocene volcanic rocks of Tengchong.

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图4 腾冲全新世火山岩Harker图解Fig.4 Harker diagram of Holocene volcanic rocks of Tengchong.图例同图2

1.2 微量元素、稀土元素

腾冲3座全新世火山岩稀土元素含量特征与球粒陨石标准化配分形式基本相同(图6)，均呈现出轻稀土(LREE)富集的右倾型分配模式;它们的LREE分异程度相对较高，而HREE分馏程度较低。上述3座火山喷发物的微量元素地球化学特征总体相似(图7)，均显示出大离子亲石元素的强烈富集和高场强元素的相对亏损。所有的研究样品都表现为Rb，Th，U，K，Pb，Nd的正异常，Nb，Ta，Sr，P，Ti的负异常，尤其是具有明显的Nb，Ta负异常，暗示可能具有岛弧或活动大陆边缘火山岩的特征(Guo et al.，2005，2006)。从全新世火山岩稀土元素和微量元素变异图解上可以看出，3座火山的稀土和微量元素配分形式十分相似，进一步说明3座火山岩浆为同源。

图5 腾冲全新世火山岩AFM图解Fig.5 AFM diagram of Holocene volcanic rocks of Tengchong.

图6 腾冲全新世火山岩稀土元素球粒陨石标准化图Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns of the Holocene volcanic rocks in Tengchong.

图7 腾冲全新世火山岩微量元素原始地幔标准化图Fig.7 Trace element spidergram of the Holocene volcanic rocks in Tengchong.

2 岩浆来源与源区性质

2.1 岩浆来源

前人对腾冲火山岩的成因和岩浆来源给出了不同的解释。认为腾冲火山岩的岩浆源区是一个同位素不平衡的富集地幔，由于板块俯冲作用，大量的地壳物质被带入上地幔。这些含水的地壳物质熔融后在俯冲带形成同位素不平衡或局部不均一的交代地幔源，该地幔源熔融形成腾冲火山岩。并通过Zr/Ni－Zr与Zr/V－Zr模拟计算出腾冲火山源区近似于榴辉岩组成，而不是地幔辉橄岩。丛柏林等(1994)指出，青藏高原及其东邻地区的地壳和上地幔中存在着异常的低密度层，岩浆可能来源于该低密度层或受到了其强烈混染，腾冲新生代火山岩具有明显的岛弧或活动陆缘属性，它们是俯冲造成的地幔楔滞后重熔的结果。樊祺诚等(1999)认为腾冲火山岩的同位素地球化学成分具有原始地幔与EMⅡ地幔端源混合的特征，提出高钾钙碱性岩浆成因与壳幔相互作用有关。赵勇伟等(2010)提出，由于俯冲洋壳的重新熔融导致新近纪以来腾冲地区高钾钙碱性岩浆的火山活动，因此腾冲大陆板内构造环境出现了具有岛弧或大陆边缘火山岩地球化学特征的现象。王瑜(1999)认为，发生于4～0.01Ma期间的腾冲地区高钾钙碱性玄武岩、玄武安山质火山活动的背景为印度板块持续向北挤入导致其东侧右行走滑形成了剪切－拉张构造，岩浆活动的深部为现存的大陆边缘环境。火山活动与缅甸弧的俯冲作用、密支那－曼德勒缝合带的活动无关。赵慈平等(2008)认为，腾冲火山的形成与板块俯冲无关，是局部地幔隆升区空间尺度和隆升强度的最直接反映。局部上隆的地幔既为腾冲火山的孕育提供了岩浆物质来源，也为岩浆的上侵提供了构造通道。

腾冲全新世火山岩具有高87Sr/86Sr、低143Nd/144Nd比值和高208Pb/204Pb比值的特征，通常认为是源区富集地幔部分熔融的产物。通过Sr、Nd、Pb同位素示踪，确定腾冲全新世火山岩源区具EMⅡ富集地幔特征(李欣等，2012)。另外腾冲地区紧邻密支那及怒江古缝合带，经历了古特提斯、新特提斯和新生代印度－欧亚大陆碰撞诱发的大规模陆内变形作用等复杂的演化历史，古特提斯洋壳沉积物的再循环与俯冲带流体的交代作用，是形成EMⅡ富集地幔的主要因素(李勇等，2011)。因此推测腾冲火山岩源区是受到俯冲的扬子古陆壳与古特提斯洋壳物质混染了的富集地幔(丛柏林等，1994;Chung et al.，1997;Xu et al.，2001)，地幔富集发生在部分熔融之前。富集地幔源区发生部分熔融可能与扬子地块的俯冲板片裂离诱发的地幔上涌有直接关系(Liu et al.，2000)。岩浆源区受到了俯冲板片的交代作用形成了富钾岩浆，交代物质来源于受到较早的俯冲带流体改造过的地幔楔部分熔融。

印度板块与亚欧板块碰撞发生在50～60Ma之前(许志琴，2006)。腾冲地区自古近纪以来出露地层已为陆相河流沉积(N1)，腾冲上新世以来的火山活动发生时这一地区早已经是大陆环境(陈廷方等，1994)。印度板块俯冲到欧亚板块之下发生在27～15Ma，然而腾冲和缅甸火山喷发在5.5Ma。腾冲盆地发展为伸展盆地的时间是6～5Ma，这与火山喷发的开始年龄一致，预示着区内火山喷发时受盆地内部断裂带控制。整个晚中新生代时期，腾冲及其邻区的火山喷发都不受板块俯冲或者火山弧作用的控制。腾冲新生代以来的火山活动主要受盆地内断裂控制，其活动产物为板内火山岩，表现出的岛弧火山岩特征是由于地幔源区受到古洋壳俯冲板片的富集作用，富集作用发生在部分熔融作用之前。

2.2 源区性质

腾冲全新世火山岩具有较高的K2O平均含量(3.3wt%)，指示它们的地幔源区存在钾质矿物。实验表明(Edgar et al.，1976;Mengel et al.，1989)，在高压环境下镁铁质熔体中金云母的K2O(3.5wt%)可以达到饱和，钾质岩浆中K2O的富集可能与这个饱和度有关。另外，这些岩石在化学成分上表现出高钾可能与地幔源区富钾残余矿物相有关，最有可能是含有金云母或者角闪石。相对于角闪石，金云母分解熔体具有较高的Rb/Sr比值及较低的Ba/Rb比值(Furman et al.，1999)。腾冲全新世火山岩具有较高的Rb/Sr比值(0.08～0.64)与较低的Ba/Rb比值(7.29～14.56)，表明源区含有金云母。对于角闪石，Nb和Ta都是不相容元素，低Mg﹟角闪石的DNb/DTa＞1(Tiepolo et al.，2000)。同时，这2种元素在角闪石中的分配系数DNb，Taamphibole要大于它们在橄榄石、单斜辉石和斜方辉石中的分配系数DNb，Taol，cpxandcpx(Dunn et al.，1994;Hauri et al.，1994)。因此，角闪石部分熔融不仅导致熔体的Nb、Ta含量和Nb/Ta比值升高，也会导致其Sr负异常的升高。而腾冲全新世火山岩表现为Nb、Ta负异常、Sr正异常和低Nb/Ta比值(12.14～17.12)，表明源区富钾矿物为金云母。另外这些火山岩都有很高的Yb(＞1.8ppm)含量。这些都说明腾冲全新世火山岩源区不含角闪石。

稀土元素比率可用以确定与矿物学、化学有关的源区部分熔融程度和深度(Shaw et al.，2003)。由于石榴石相橄榄岩和尖晶石相橄榄岩具有不同的REE固/液相分配系数，通常，石榴石相及尖晶石相二辉橄榄岩部分熔融形成的熔体均有较大的La/Yb比值变化范围。Yb在石榴石中是相容元素，而La是强不相容元素，故在石榴石稳定区的早期熔融阶段，La/Yb和Dy/Yb会发生明显分馏(Bogaard et al.，2003)。对于石榴石，Yb是相容元素，La和Sm是不相容元素。石榴石作为残留相且熔融程度较低时，La/Yb和Sm/Yb会发生大的分异。然而，在尖晶石稳定区发生部分熔融时，La/Yb只出现轻度分异，Sm/Yb几乎不分异。因此，La/Y－Sm/Yb图解可用来区分部分熔融发生在尖晶石相还是石榴石相(图8)。一般认为，部分熔融压力会直接影响岩浆中硅的饱和程度(Kushiro et al.，2001)。高压条件下小比例部分熔融产生的岩浆相对贫Si，更有可能出现标准矿物霞石(Ne);低压条件下大比例部分熔融形成的岩浆会相对富Si，出现标准矿物紫苏辉石(Hy)和石英(Q)(Depaolo et al.，2000)。腾冲全新世火山岩标准矿物计算均出现标准矿物紫苏辉石(Hy)和石英(Q)(计算结果略)。综合以上分析，判断腾冲全新世火山岩是石榴石相橄榄岩低压条件下大比例部分熔融的产物。

3 岩浆演化

3.1 地壳混染

腾冲全新世火山岩表现出大离子亲石元素的强烈富集，因此要考虑岩浆上升过程中是否受到地壳的混染。这套火山岩的不相容元素(Th，La，Rb，K元素)随着SiO2的增加而增加(图9)，可能原因是岩浆演化过程中受到地壳的混染或者在源区部分熔融过程中富集了这些壳源物质。

图8 腾冲全新世火山岩La/Yb-Sm/Yb相关图Fig.8 Correlative diagram of La/Yb-Sm/Yb for the Holocene volcanic rocks in Tengchong.

图9 腾冲全新世火山岩微量元素－SiO2图解Fig.9 Correlative diagram of REE-SiO2 for the Holocene volcanic rocks in Tengchong.

3.2 分离结晶

腾冲全新世火山岩含有橄榄石、单斜辉石和斜长石斑晶，因此，需要考虑分离结晶对岩浆组成的影响。

由地幔橄榄岩直接熔融形成的原始岩浆具有高的Ni、Cr含量及高的Mg值(100Mg/(Mg+Fe2+))。当部分熔融程度 ＜30% 时，Mg值范围在68～75(Fan et al.，1991)。原始岩浆Ni含量应该 ＞300ppm(Frey et al.，1978)或者介于250～300ppm(Wilkinson et al.，1987)，Cr含量应该在500～600ppm。腾冲全新世火山岩低Mg值和低的Cr、Ni含量表明，岩浆已经不是原始岩浆，而是经历了强烈的分离结晶作用，3座全新世火山的岩浆分离结晶趋势有所不同。

在Ni-MgO关系图(图10)上可以看出，马鞍山火山岩样品Ni含量随着MgO含量的降低而降低，同时伴随SiO2含量升高，说明有橄榄石的分离结晶。当MgO＜6%时，CaO与MgO呈现正相关，表明斜长石和单斜辉石同时从岩浆熔体中结晶出来。当MgO＞6%时，CaO和MgO呈现负相关，主要是单独由橄榄石分离结晶控制岩浆作用过程(图13)。标准矿物计算结果(表略)表明只有部分基性火山岩含有橄榄石。3座火山的火山岩样品Cr含量随着MgO含量的降低而降低(图11)，所有样品CaO/Al2O3比值随着CaO含量的降低而减小(图12)，说明有单斜辉石的分离结晶(Green et al.，1971)。

图10 Ni-MgO图解Fig.10 Diagram of correlative variations between Ni-MgO.

图11 Cr-MgO图解Fig.11 Diagram of correlative variations between Cr-MgO.

尽管地幔源区中磷灰石的存在可能使U/Pb值发生分馏，低U/Pb比值不可能是部分熔融或者结晶分异造成，因为在岩浆后期作用中俯冲作用带来的流体中U、Pb的地球化学行为相似(Sheppard et al.，1992)。因此，腾冲全新世火山岩极低的U/Pb值与现代大洋沉积物的U/Pb值一致(Sun et al.，1989)，造成这一现象可能是由于成岩过程中大洋沉积物的贡献和磷灰石的结晶分异。

在K2O－TiO2协变图解(图14)中，样品K2O含量随TiO2含量的增加而降低，呈良好的负相关关系，同时TiO2含量随着SiO2含量的增加而增加(图15)。研究表明，Ti和K并不存在于主要结晶分异矿物(橄榄石、单斜辉石、斜长石、石榴石、Cr－尖晶石)的结构中(McKenzie et al.，1991)。因此，若有上述矿物的结晶分异发生，TiO2含量会随着SiO2含量的增加而增加。样品在TiO2－SiO2协变图中(图14)表现出良好的负相关关系，证明有钛磁铁矿的分离结晶作用。

图12 CaO/Al2 O3－CaO图解Fig.12 Diagram of correlative variations between CaO/Al2 O3－CaO.

图13 CaO－MgO图解13 Diagram of correlative variations between CaO－MgO.

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

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

腾冲火山岩均表现出Eu的负异常。通常认为Eu的负异常与斜长石分离结晶作用有关，岩浆演化程度越高，就有更多的斜长石结晶，打莺山火山岩稀土配分图表现出更强烈的Eu的负异常，说明其岩浆演化程度最高。以往研究认为，P、Ti负异常说明可能有辉石、钛铁氧化物和磷灰石的结晶分异作用;Sr、Eu负异常可能与斜长石的分离结晶作用有关，说明腾冲全新世火山岩岩浆演化过程早期有辉石、钛铁氧化物和磷灰石的结晶分异，岩浆上升过程中以斜长石的分离结晶作用为主。

4 结论

(1)腾冲及其邻区新生代以来的火山喷发主要受盆地内断裂控制，不受板块俯冲或者火山弧作用的控制。其活动产物为板内火山岩，表现出的岛弧火山岩特征是由于地幔源区受到古洋壳的俯冲板片的富集所致，富集作用发生在部分熔融作用之前。

(2)通过La/Yb-Sm/Yb关系模拟出腾冲全新世火山岩是低压条件下石榴石相橄榄岩大比例部分熔融的产物。其源区富钾矿物为金云母，不含角闪石。

(3)低Cr、低Ni特征，说明岩浆已经不是母岩浆，而是经历过强烈的分离结晶作用。P、Ti负异常说明可能有辉石、钛铁氧化物和磷灰石的结晶分异作用;Sr、Eu负异常可能与斜长石的分离结晶作用有关。Cr和Ni与MgO的相关性说明有橄榄石和单斜辉石的分离结晶。