滇东北盐津地区中三叠统关岭组底部绿豆岩年代学及地球化学研究*

刘建清 何利 陈风霖 冉敬 何平 何佳伟

中国地质调查局成都地质调查中心，成都 610081

绿豆岩是火山喷发后，经空气搬运的火山灰降落沉积而成的凝灰岩，经成岩和古风化作用，现多为粘土类的岩石(吴应林等, 1989)。它广泛分布于我国西南早、中三叠世地层间，因其颜色脆绿、常含硅质豆粒而被称为绿豆岩。目前，针对绿豆岩的研究相对较少，主要是在重庆及贵州地区开展过少量的年代学及地球化学工作的研究，但对其他地区的绿豆岩的研究，则尚未涉及。2016年至2018年期间，中国地质调查局在云南东北部永善、盐津等地投入了四个1/5万标准图幅的区域地质调查工作项目，对滇东北盐津地区绿豆岩进行了年代学及地球化学特征的研究，本文即为这一项目的部分成果。

1 区域地质背景

根据《云南省地质志》的划分，研究区所在的一级构造单位为扬子准地台，二级构造单元为滇东台褶带(云南省地质矿产局, 1982)(图1)。经过晋宁运动之后的加里东、海西、印支、燕山、喜马拉雅各构造期，该区沉积了震旦系、古生界、中生界、新生界的巨厚盖层。区内出露的震旦系至白垩系均为整合或平行不整合接触，仅下白垩统与第四系之间为角度不整合接触，表明该区沉积盖层于晚燕山期褶皱定型。其中上古生界与下古生界的广西运动造成的平行不整合是区内最大的沉积间断。关岭组底部绿豆岩在盐津-大关-雷波-永善-沐川四川盆地西南缘一带地表广泛分布，往南至云南昭通一带因关岭组沉积之后的抬升剥蚀而不发育。

区内关岭组底部绿豆岩层厚1m，位于下三叠统嘉陵江组三段(T1j3)与关岭组一段(T2gl1)之间，二者为整合接触。嘉陵江组三段下部为灰黄色钙质泥岩夹泥晶灰岩，上部为灰黄色微含生屑泥晶白云岩，顶部为厚40cm的白云质岩溶角砾岩、灰岩及粉砂岩；关岭组一段上部为紫红等杂色中层状泥岩、泥质粉砂岩夹粉砂质页岩与泥灰岩，下部为灰黄色中厚层状微-泥晶灰岩、白云岩夹粉砂质泥岩、泥岩，底部即为本文绿豆岩。

2 岩石学特征

本文绿豆岩样品采自云南省盐津县物资公司上二叠统峨眉山玄武岩(P3e)-中三叠统关岭组(T2gl)剖面中(图2)，样品采集点位置(28°1′31.73″N、104°8′9.65″E)。野外剖面上，绿豆岩厚约1m，层状延伸稳定。岩石呈翠绿色，泥质结构，致密、细腻，显致密状断口，矿物成分肉眼不可区分。多不显沉积构造，局部略显水平层理。岩石硬度较小，抗风化能力较弱，多呈细小碎块状。

图2 绿豆岩野外照片

显微镜下观察，绿豆岩主要由绢云母及少量砂屑、褐铁矿组成。绢云母，含量>95%，为低温热液蚀变矿物，浅黄绿色-灰白色，主要为白云母致密微晶结合体，呈显微叶片状、鳞片状，密集定向排列，形成线状构造；砂屑含量>1%，以石英碎屑为主，少量白云母片。其中石英全为单晶，表面干净，细小粒状，分散状不均匀分布。白云母，细小叶片状，干涉色鲜艳，沿片理方向，分散状分布；褐铁矿含量少，细小粒状，少量呈四方形，分散状不均匀分布，从晶形上看，可能由黄铁矿或磁铁矿氧化而来。

绿豆岩全岩矿物X衍射分析结果表明：石英含量7%，粘土矿物含量93%。

3 样品及分析方法

本次共逐层采集了9件绿豆岩样品及绿豆岩上下层位6件沉积岩样品，共计15件样品进行地球化学分析；采集了1件绿豆岩样品进行 LA-ICP-MS锆石U-Pb定年分析。样品采集之前，先小心除去风化体表面的堆积层，避免外来的锆石混染，再采集新鲜的绿豆岩样品。

3.1 锆石U-Pb定年

样品经破碎、淘洗、磁选和重液分选后分离出锆石，然后在双目镜下仔细挑出不同晶形、不同颜色的锆石约100颗。锆石样品靶的制备与SHRIMP定年的样品制备方法基本相同(宋彪等, 2002)。在开始锆石U-Pb定年分析前，先进行阴极发光(CL)分析，以确定锆石颗粒的内部结构。锆石阴极发光图像在南京宏创地质勘查技术服务有限公司的Cameca电子探针仪器上完成，分析电压为15kV，电流为10nA。本次LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试，在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源重点实验室进行，将193nm的ArF准分子激光与Elan6100DCR型ICP-MS仪相接，使用He作为剥蚀物质的载气，应用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参与物质NIST SRM610进行仪器的最佳化校正，应用RSES参考锆石TEMORA(417Ma)进行元素的分馏校正，并采用91500(1064Ma)标准锆石外部校正发进行锆石原位U-Pb分析(陈卫锋等, 2007)。样品在测试过程中，204Pb信号较低，基本与背景值相当，而207Pb和206Pb的信号比扣除背景后的204Pb信号高几个数量级，因而未做普通Pb的校正，详细的测试方法及仪器参数见袁洪林等(2003)。每个锆石微区原位测试点的同位素比值和U-Pb年龄由专用的ICPMSDataCal 8.3软件计算，锆石的U-Pb分析定年结果见表1。

表1 盐津绿豆岩LA-ICP-MS锆石U-Pb测年数据表

将获得的定年数据利用Isoplot3(Ludwig, 2003)进行了锆石的谐和曲线和加权平均年龄的投影，发现数据点多分布在谐和线上或谐和线的右侧呈线状分布。呈线状分布的特征不同于发生过Pb丢失的锆石的分布形式(李献华等, 1996; Mezger and Krogstad, 1997; 陈道公等, 2001)，而与207Pb难以测准有关，这种分布形式并不影响206Pb/238U比值，表明所测的锆石颗粒在形成后U-Pb同位素体系是封闭的，基本没有U或Pb的加入和丢失(袁洪林等, 2003; 徐夕生等, 2003; 丁兴等, 2005)。对于具放射性Pb丢失的古老锆石(>1000Ma)来说，207Pb/206Pb年龄是对锆石年龄最有效的估计，相对年轻的锆石一般取206Pb/238U年龄(Cuietal., 2015)，故本文采取206Pb/238U年龄。样品外部误差2SD=STDEV.P(N1.N2.N2…Nx)×2(多次/长期测试数据统计值)(Ludwig, 2003)，经计算为3.01，样品年龄值较为接近。

3.2 全岩主量元素和微量元素分析

全岩主、微量元素分析在中国地质调查局成都地质调查中心分析测试中心进行。使用荷兰帕纳科公司的AXIOS型荧光光谱仪(XRF)进行主量元素的测定，实验流程依据国家标准GB/T 14506.28—2010；采用赛默飞世尔公司的iCAP Q型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行微量元素的测定，实验流程依据国家标准GB/T 14506.30—2010。经国家标样GDW07104的监控，全岩主、微量元素的分析精度分别优于5%和10%。分析结果见表2。

表2 盐津地区绿豆岩及围岩主量元素(wt%)与微量元素(×10-6)组成

4 分析结果

4.1 LA-ICP-MS定年结果

样品YT中的锆石多具“核-边”双层结构，部分锆石的核部CL较强，显示岩浆锆石的特征，具韵律环带，而边部CL强度弱，显示重结晶锆石的特征(图3)。选择具韵律环带的岩浆锆石，进行40个点的定年分析，大部分数据点都位于谐和线上或附近(图4)，获得的年龄值集中在236～240Ma之间(表1)。其中测点10年龄为218Ma，可能是样品采集到制靶过程中存在污染，该年龄不予考虑；测点03为416Ma，测点39为2424Ma，测点40为2259Ma，上述三个测点可能为岩浆喷发过程中捕获的老锆石；测点13谐和度为82%，测点28谐和度为86%，测点35谐和度为40%，上述三个测点谐和度较低，均低于90%。为此对上述极其个别年轻离群点、年龄明显偏老锆石，以及谐和度低于90%的7个测点年龄予以删除。对剩余33个点的数据加权平均值计算，获得年龄为239.60±0.43Ma(MSWD=1.4)，属于中三叠世早期。

图3 盐津地区绿豆岩锆石阴极发光图像

图4 盐津地区绿豆岩锆石U-Pb年龄谐和图(a)和数据离群性特征(b)

4.2 全岩地球化学特征

绿豆岩SiO2含量为58.83%～62.36%，平均60.53%；MgO含量为6.18%～7.04%，平均6.64%，相应的Mg#值为87.18～89.22；K2O含量为7.00%～7.98%，平均7.63%；Al2O3含量为13.95%～16.18%，平均14.97%；Fe2O3含量为1.21%～1.42%，平均1.32%；FeO含量为0.17%～0.51%，平均0.38%；Na2O含量为最低0.0051%～0.023%，平均0.0111%；P2O5含量为0.17%～0.23%，平均0.19%。TiO2含量为0.24%～0.27%，平均0.25%。对该区绿豆岩常量元素在岩浆岩分类图上投点(Middlemost, 1994)，投点于粗面英安岩(图5a)，亚碱性系列，反映了一定碱质含量，主要由K2O高含量引起的。经计算该区绿豆岩CaO+Na2O+K2O(分子数)< Al2O3(分子数)；Al2O3(分子数)> Na2O+K2O(分子数)，故属亚碱性系列。铝饱和指数(A/NKC)为1.38～1.76，平均1.54，反映为强过铝质岩石。根据前人对世界典型火山岩化学成分分析结果，安山岩SiO2含量平均57.94%，流纹岩SiO2含量平均72.87%(Le Maiter, 1976)，本区绿豆岩SiO2含量表明为中性略偏酸性火山岩类。Le Maiter(1976)对世界典型火山岩主要化学成分分析同时表明，安山岩MgO平均含量3.33%，K2O平均含量1.62%，Al2O3平均含量17.02%，Fe2O3平均含量3.27%，FeO平均含量4.04%，Na2O平均含量3.38%，TiO2平均含量0.87%。上述特征表明，该区绿豆岩具富K、Mg，贫Fe、Na、P、Ti的特点；Al含量略低，与典型安山岩平均含量接近。

图5 盐津地区绿豆岩TAS图解(a, 据Middlemost, 1994)及Zr/TiO2×0.0001-Nb/Y图解(b, 据Winchester and Floyd, 1977)

就稀土元素而言，地壳中的REE总量比地球的平均值增高22.7倍，上地幔比地球增高2.4倍，下地幔比地球平均值降低0.4倍(Taylor and Mclcennan, 1985; 韩吟文等, 2002)。从该区绿豆岩球粒陨石标准化稀土元素配分曲线可以看出(图6a)，其稀土元素含量是球粒陨石的10～100倍；由表2可以看出，该区绿豆岩稀土总量(∑REE)为169.1×10-6～262.8×10-6，平均217.6×10-6，反映出较高的稀土含量；同时，绿豆岩稀土元素配分曲线与围岩配分曲线形态相似(图6a)，这表明绿豆岩母岩形成过程中可能有地壳硅铝质的交代、混染。该区绿豆岩(La/Yb)N值为5.30～10.33，平均值6.76，轻稀土富集，重稀土亏损，球粒陨石配分曲线呈略向右倾斜；δEu呈强负异常，0.14～0.17，平均0.15。在原始地幔标准化微量元素蜘蛛图中(图6b)，绿豆岩标准化曲线与围岩相似。绿豆岩以富集大离子亲石元素(LILEs：Rb、K、Th、Zr等)，亏损高场强元素(HFSEs：Nb、Ta、Ti、P、Sr等)(图6b)及极低的Cr(1.02×10-6～2.77×10-6)、Ni(1.02×10-6～2.37×10-6)含量为特征，与俯冲带岩浆地球化学特征类似(Wilson, 1989; Takagietal., 1999)。应用微量元素Nb/Y-0.0001×Zr/TiO2进行岩石类型的研究，投点于英安岩区域(图5b)(Winchester and Floyd, 1977)。

图6 盐津地区绿豆岩球粒陨石标准化稀土元素配分图(a)和原始地幔标准化微量元素蜘蛛图(b)(标准化值据Sun and McDonough, 1989)

5 讨论

5.1 定年结果

孙艳等(2017)对重庆铜梁地区绿豆岩LA-ICP-MS定年为245.86±0.98Ma；谢韬等(2013)对云南罗平生物群(安尼期)下部凝灰岩(华南广泛分布的绿豆岩)进行了锆石LA-ICP-MS定年，其年龄为246.60±1.40Ma；Lehrmannetal.(2006)对贵州关刀地区的多层火山凝灰岩进行了锆石U-Pb定年，结果为246.77±0.13Ma、247.13±0.12Ma、247.32±0.08Ma、247.38±0.10Ma；Ovtcharovaetal.(2006)对广西凤金山金牙剖面的火山凝灰岩锆石定年，结果为248.12±0.41Ma；王彦斌等(2004)和郑连第等(2010)对贵州望谟县甘河桥剖面的火山凝灰岩U-Pb定年结果得到分别为239.00±2.90Ma和247.60±1.4Ma；戴桐谟等(1995)应用连续激光探针质谱40Ar/39Ar法测定贵州青岩绿豆岩年龄为239.16±14.13Ma；胡世玲等(1996)对贵州遵义上边新扑村中三叠统松子坎组最底部厚0.15～0.4m的玻屑凝灰岩光片样品进行了激光质谱40Ar/39Ar多阶段升温和全熔融等时年龄研究，得到一个样品的坪年龄和等时年龄及另一个样品的全熔融等时年龄分别为238.50±4.80Ma、238.90±4.80Ma、239.60±4.80Ma。从以上可以看出，包括中上扬子在内的华南地区下三叠统与中三叠统之间有多层凝灰岩，这些凝灰岩在中上扬子地区多以绿豆岩的形式产出。前人对绿豆岩(凝灰岩)的研究所获年龄主要集中在246Ma和239Ma两个时间段，其形成可能与该地区的两次火山喷发有关：第一次为246～248Ma，第二次为238～239Ma。本次研究的滇东北盐津地区关岭组底部凝灰岩(绿豆岩)，可能形成于第二次喷发过程。

一个值得深入思考的问题，华南广泛分布的中、下三叠统之间凝灰岩来自何处？与何时的构造运动相关联？结合区域地质年代学的对比，我们认为华南地区上述凝灰岩层可能与古特提斯洋的关闭有关。

目前的研究表明，在华南南缘与印支地块之间自云南哀牢山、双沟至越南北部Song-Ma带并向东延至海南邦溪-晨星，存在NWW-EW向的古特提斯洋(简平等, 1998; 沈上越等, 1998; 李献华等, 2000; 梁新权等, 2005; Wangetal., 2010)。Xiaetal.(2019)、Xuetal.(2019)研究了哀牢山缝合带东西两侧龙潭组及三叠系地层碎屑锆石特征，来自缝合带东侧龙潭组碎屑锆石年龄峰值为240Ma，来自华南地块西部的下-中三叠统地层碎屑锆石年龄峰值为254～251Ma，来自印支地块东部中三叠统地层碎屑锆石年龄峰值为246～242Ma，来自缝合带两侧的上三叠统地层最年轻锆石年龄为约230Ma，古特提斯洋在晚三叠世最终关闭实现陆-陆碰撞。以上资料反映出在哀牢山缝合带两侧有246Ma、240Ma两个较为集中的年龄数据。在综合以上年代学资料，特别是在最新研究的基础上，我们认为扬子地区关岭组底部凝灰岩(绿豆岩)很可能来自古特提斯洋向华南板块俯冲导致的火山喷发，并远距离搬运至中上扬子地区。本文前述中上扬子地区下-中三叠统之间多层凝灰岩(绿豆岩)的两个年龄值(246～248Ma、238～239Ma)可能对应两次较强的弧火山活动过程，第二次火山喷发过程(与本次测年结果吻合)印支地块、华南地块进一步靠近，逐渐向晚三叠世陆-陆碰撞(230Ma)过程转化。

5.2 源区特征与岩石成因

绿豆岩是火山凝灰岩，分析测试具有很高的烧失量(6.88%～7.83%)，指示样品蚀变非常强烈(纪政等, 2018)，故其部分活动性主量元素会发生迁出或者迁入。因此，其主量元素的岩石学分类仅具参考意义，而应以微量元素岩石类型投点结果为准。该区绿豆岩SiO2及K2O含量偏高，可能发生了二者的迁入现象，这种主量元素的迁入可能与多种地质因素和过程有关。该区绿豆岩Mg#值(87.18～89.22)，与基性下地壳物质部分熔融产生的岩浆明显不同(Mg#值通常小于45)(Rapp and Watson, 1995; Rappetal., 1999)，岩浆的起源可能与板块俯冲流体或熔体交代地幔楔的部分熔融(Yuetal., 2017)。

绿豆岩微量元素中，Li含量为352×10-6～469×10-6，平均417×10-6。Li含量大于400×10-6是粘土岩类岩浆成因的标志(郭其悌, 1975)，因此，从该区绿豆岩Li含量反映出其为岩浆成因粘土岩类。岩石具明显的Nb和Ta亏损，以及明显的Zr和Hf富集，指示安山质岩浆在上升过程中有明显的地壳混染(Yuetal., 2017)。

根据微量元素特征参数Nb*(Nb*=2Nb(岩石/原始地幔)/(Zr(岩石/原始地幔)+Mo(岩石/原始地幔));徐夕生和邱检生, 2010)的计算，绿豆岩样品的Nb*值为1.44～2.30，而大陆壳物质和花岗质岩石的Nb*通常小于1(徐夕生和邱检生, 2010)，因此，推断该区绿豆岩母岩并非来自板块内部的大陆地壳，而可能来自洋壳或汇聚的板块边缘。根据徐夕生和邱检生(2010)的研究，Sr相对于Ce和Nd的亏损(即Sr的负异常)可能是斜长石发生了分离结晶的缘故。本文绿豆岩的Sr*值(Sr*=2Sr(岩石/原始地幔)/(Ce(岩石/原始地幔)+Nd(岩石/原始地幔));徐夕生和邱检生, 2010)为0.02～0.03，亏损严重，说明其形成过程中存在斜长石分离结晶。此外，斜长石分异对Eu的分配系数的影响远远大于其它稀土元素，各类岩浆岩中Eu负异常的产生往往与斜长石的结晶分异有关(韩吟文等, 2002)，本文区绿豆岩Eu负异常明显，说明在其母岩喷发之前经历了斜长石的结晶分异。

据研究，俯冲板片或拆沉下地壳部分熔融产物与地幔反应可形成安山质岩浆，该岩浆具有埃达克岩高Sr/Y比值及低的Y和Yb含量的特征。该区绿豆岩反映的其母岩岩浆具有相对低的Sr/Y比值以及较高的Y和Yb含量，明显不同于俯冲板片或拆沉下地壳来源的埃达克岩，而与典型的弧火山相似(图7；Defant and Drummond, 1990)。说明其岩浆的起源应来自洋壳的俯冲，流体或熔体交代地幔楔的部分熔融。

图7 盐津地区绿豆岩Sr/Y-Y图解(据Defant and Drummond, 1990)

5.3 构造意义

滇东北盐津地区中三叠统关岭组底部绿豆岩具有典型的俯冲带弧岩浆岩地球化学特征，其富集大离子亲石元素和轻稀土元素，亏损高场强元素和重稀土元素，起源于受俯冲带交代的亏损地幔，并可能有地壳沉积物的交代、混染。该区绿豆岩Zr/Nb值在11.86～18.58之间，落在岛弧火山岩的Zr/Nb值范围内(Zr/Nb=0～60)。在Ta/Yb-Th/Yb(Pearce and Norry, 1979)构造环境判别图上，主要落点于活动大陆边缘范围内，偶见落在与洋内岛弧区的界线(图8a)，可能反映了受洋壳消减作用比较明显，绿豆岩的形成在与俯冲消减作用有关的活动大陆边缘环境。同时，根据前人相关研究成果，应用Sc/Ni-La/Yb对绿豆岩进行构造环境的判别，投点于大陆边缘弧和以及与演化的大洋弧共有的区域(图8b)(Condie, 1989)。就岩石类型而言，前人研究表明，不成熟岛弧以玄武岩和玄武安山岩为主，成熟岛弧以安山岩和英安岩为主，成熟大陆边缘弧以安山岩、英安岩和流纹岩为主(徐夕生和邱检生, 2010)。根据Sc/Ni-La/Yb投点特征(图8b)，也可以看出该区绿豆岩主要形成于与消减作用有关的成熟大陆边缘弧。

图8 盐津地区绿豆岩Th/Yb-Ta/Yb图解(a,据Pearce and Norry, 1979)和La/Yb-Sc/Ni图解(b,据Condie, 1989)

一个值得重视的问题，上述两个构造环境判别图都有少量洋内岛弧的落点，这一特征指示出在以俯冲消减作用有关的活动边缘火山弧活动背景下，可能同时还存在在少量洋内岛弧的火山喷发。根据Xiaetal.(2019)的研究，240Ma左右中三叠世时，哀牢山洋向东西两侧俯冲，此时哀牢山洋尚未关闭，洋壳向两侧俯冲，在洋盆东侧的华南地块西缘发育火山弧和弧后盆地，随着洋壳的俯冲消减，洋盆于晚三叠世(230Ma)最终关闭，导致陆-陆碰撞(Xuetal., 2019)。此次定年，该绿豆岩年龄为239.60±0.43Ma，与上述240Ma十分接近，因此，分析认为，哀牢山洋盆在这一时期，向东部的华南板块俯冲，主要导致了火山英安岩的喷发，同时，在大洋中有少量的火山岛弧喷发，这些火山灰一并带到中上扬子地区，形成沉-凝灰岩(绿豆岩)。

火山灰的长距离搬运，说明具有强烈的火山爆发活动，且岩浆具有较多的地壳组分参与，这与活动大陆边缘和岛弧环境的火山岩组合和火山喷发特点具一致性(路风香和桑隆康, 2002; 李松彬等, 2013)。因此，从其岩石组合、喷发特点以及稀土、微量元素特征来看，可能主要形成于活动大陆边缘(或陆缘弧)的环境。

6 结论

本文的主要结论如下：

(1)滇东北盐津地区绿豆岩喷发年龄为239.60±0.43Ma，其原岩物质可能形成于中上扬子地区中、下三叠统火山岩的第二次喷发，是240Ma左右未完全关闭的哀牢山洋向东俯冲过程中大陆边缘弧火山喷发所形成的火山灰物质被长距离搬运至中上扬子地区沉降而成。

(2)该区绿豆岩主量元素SiO2具有中性偏酸性特点，岩石类型投点于粗面英安岩区域，为亚碱性系列，强过铝质岩石；绿豆岩形成过程中，主量元素可能存在活性组分的迁入、迁出，根据微量元素，岩石类型投点于英安岩；后者可能更可靠。

(3)所研究样品微量元素及稀土元素具有与围岩相似的标准化配分曲线，稀土总量(∑REE)较高，富集大离子亲石元素和轻稀土元素，亏损高场强元素和重稀土元素。推测绿豆岩的形成在与俯冲消减作用有关的活动大陆边缘环境，伴随有少量洋内岛弧的喷发，其原岩起源于受俯冲带交代的亏损地幔，并有地壳物质的交代、混染。