滇東北鹽津地區中三疊統關嶺組底部綠豆巖年代學及地球化學研究*

劉建清 何利 陳風霖 冉敬 何平 何佳偉

中國地質調查局成都地質調查中心，成都 610081

綠豆巖是火山噴發后，經空氣搬運的火山灰降落沉積而成的凝灰巖，經成巖和古風化作用，現多為粘土類的巖石(吳應林等, 1989)。它廣泛分布于我國西南早、中三疊世地層間，因其顏色脆綠、常含硅質豆粒而被稱為綠豆巖。目前，針對綠豆巖的研究相對較少，主要是在重慶及貴州地區開展過少量的年代學及地球化學工作的研究，但對其他地區的綠豆巖的研究，則尚未涉及。2016年至2018年期間，中國地質調查局在云南東北部永善、鹽津等地投入了四個1/5萬標準圖幅的區域地質調查工作項目，對滇東北鹽津地區綠豆巖進行了年代學及地球化學特征的研究，本文即為這一項目的部分成果。

1 區域地質背景

根據《云南省地質志》的劃分，研究區所在的一級構造單位為揚子準地臺，二級構造單元為滇東臺褶帶(云南省地質礦產局, 1982)(圖1)。經過晉寧運動之后的加里東、海西、印支、燕山、喜馬拉雅各構造期，該區沉積了震旦系、古生界、中生界、新生界的巨厚蓋層。區內出露的震旦系至白堊系均為整合或平行不整合接觸，僅下白堊統與第四系之間為角度不整合接觸，表明該區沉積蓋層于晚燕山期褶皺定型。其中上古生界與下古生界的廣西運動造成的平行不整合是區內最大的沉積間斷。關嶺組底部綠豆巖在鹽津-大關-雷波-永善-沐川四川盆地西南緣一帶地表廣泛分布，往南至云南昭通一帶因關嶺組沉積之后的抬升剝蝕而不發育。

區內關嶺組底部綠豆巖層厚1m，位于下三疊統嘉陵江組三段(T1j3)與關嶺組一段(T2gl1)之間，二者為整合接觸。嘉陵江組三段下部為灰黃色鈣質泥巖夾泥晶灰巖，上部為灰黃色微含生屑泥晶白云巖，頂部為厚40cm的白云質巖溶角礫巖、灰巖及粉砂巖；關嶺組一段上部為紫紅等雜色中層狀泥巖、泥質粉砂巖夾粉砂質頁巖與泥灰巖，下部為灰黃色中厚層狀微-泥晶灰巖、白云巖夾粉砂質泥巖、泥巖，底部即為本文綠豆巖。

2 巖石學特征

本文綠豆巖樣品采自云南省鹽津縣物資公司上二疊統峨眉山玄武巖(P3e)-中三疊統關嶺組(T2gl)剖面中(圖2)，樣品采集點位置(28°1′31.73″N、104°8′9.65″E)。野外剖面上，綠豆巖厚約1m，層狀延伸穩定。巖石呈翠綠色，泥質結構，致密、細膩，顯致密狀斷口，礦物成分肉眼不可區分。多不顯沉積構造，局部略顯水平層理。巖石硬度較小，抗風化能力較弱，多呈細小碎塊狀。

圖2 綠豆巖野外照片

顯微鏡下觀察，綠豆巖主要由絹云母及少量砂屑、褐鐵礦組成。絹云母，含量>95%，為低溫熱液蝕變礦物，淺黃綠色-灰白色，主要為白云母致密微晶結合體，呈顯微葉片狀、鱗片狀，密集定向排列，形成線狀構造；砂屑含量>1%，以石英碎屑為主，少量白云母片。其中石英全為單晶，表面干凈，細小粒狀，分散狀不均勻分布。白云母，細小葉片狀，干涉色鮮艷，沿片理方向，分散狀分布；褐鐵礦含量少，細小粒狀，少量呈四方形，分散狀不均勻分布，從晶形上看，可能由黃鐵礦或磁鐵礦氧化而來。

綠豆巖全巖礦物X衍射分析結果表明：石英含量7%，粘土礦物含量93%。

3 樣品及分析方法

本次共逐層采集了9件綠豆巖樣品及綠豆巖上下層位6件沉積巖樣品，共計15件樣品進行地球化學分析；采集了1件綠豆巖樣品進行 LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年分析。樣品采集之前，先小心除去風化體表面的堆積層，避免外來的鋯石混染，再采集新鮮的綠豆巖樣品。

3.1 鋯石U-Pb定年

樣品經破碎、淘洗、磁選和重液分選后分離出鋯石，然后在雙目鏡下仔細挑出不同晶形、不同顏色的鋯石約100顆。鋯石樣品靶的制備與SHRIMP定年的樣品制備方法基本相同(宋彪等, 2002)。在開始鋯石U-Pb定年分析前，先進行陰極發光(CL)分析，以確定鋯石顆粒的內部結構。鋯石陰極發光圖像在南京宏創地質勘查技術服務有限公司的Cameca電子探針儀器上完成，分析電壓為15kV，電流為10nA。本次LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年測試，在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源重點實驗室進行，將193nm的ArF準分子激光與Elan6100DCR型ICP-MS儀相接，使用He作為剝蝕物質的載氣，應用美國國家標準技術研究院研制的人工合成硅酸鹽玻璃標準參與物質NIST SRM610進行儀器的最佳化校正，應用RSES參考鋯石TEMORA(417Ma)進行元素的分餾校正，并采用91500(1064Ma)標準鋯石外部校正發進行鋯石原位U-Pb分析(陳衛鋒等, 2007)。樣品在測試過程中，204Pb信號較低，基本與背景值相當，而207Pb和206Pb的信號比扣除背景后的204Pb信號高幾個數量級，因而未做普通Pb的校正，詳細的測試方法及儀器參數見袁洪林等(2003)。每個鋯石微區原位測試點的同位素比值和U-Pb年齡由專用的ICPMSDataCal 8.3軟件計算，鋯石的U-Pb分析定年結果見表1。

表1 鹽津綠豆巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb測年數據表

將獲得的定年數據利用Isoplot3(Ludwig, 2003)進行了鋯石的諧和曲線和加權平均年齡的投影，發現數據點多分布在諧和線上或諧和線的右側呈線狀分布。呈線狀分布的特征不同于發生過Pb丟失的鋯石的分布形式(李獻華等, 1996; Mezger and Krogstad, 1997; 陳道公等, 2001)，而與207Pb難以測準有關，這種分布形式并不影響206Pb/238U比值，表明所測的鋯石顆粒在形成后U-Pb同位素體系是封閉的，基本沒有U或Pb的加入和丟失(袁洪林等, 2003; 徐夕生等, 2003; 丁興等, 2005)。對于具放射性Pb丟失的古老鋯石(>1000Ma)來說，207Pb/206Pb年齡是對鋯石年齡最有效的估計，相對年輕的鋯石一般取206Pb/238U年齡(Cuietal., 2015)，故本文采取206Pb/238U年齡。樣品外部誤差2SD=STDEV.P(N1.N2.N2…Nx)×2(多次/長期測試數據統計值)(Ludwig, 2003)，經計算為3.01，樣品年齡值較為接近。

3.2 全巖主量元素和微量元素分析

全巖主、微量元素分析在中國地質調查局成都地質調查中心分析測試中心進行。使用荷蘭帕納科公司的AXIOS型熒光光譜儀(XRF)進行主量元素的測定，實驗流程依據國家標準GB/T 14506.28—2010；采用賽默飛世爾公司的iCAP Q型電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)進行微量元素的測定，實驗流程依據國家標準GB/T 14506.30—2010。經國家標樣GDW07104的監控，全巖主、微量元素的分析精度分別優于5%和10%。分析結果見表2。

表2 鹽津地區綠豆巖及圍巖主量元素(wt%)與微量元素(×10-6)組成

4 分析結果

4.1 LA-ICP-MS定年結果

樣品YT中的鋯石多具“核-邊”雙層結構，部分鋯石的核部CL較強，顯示巖漿鋯石的特征，具韻律環帶，而邊部CL強度弱，顯示重結晶鋯石的特征(圖3)。選擇具韻律環帶的巖漿鋯石，進行40個點的定年分析，大部分數據點都位于諧和線上或附近(圖4)，獲得的年齡值集中在236～240Ma之間(表1)。其中測點10年齡為218Ma，可能是樣品采集到制靶過程中存在污染，該年齡不予考慮；測點03為416Ma，測點39為2424Ma，測點40為2259Ma，上述三個測點可能為巖漿噴發過程中捕獲的老鋯石；測點13諧和度為82%，測點28諧和度為86%，測點35諧和度為40%，上述三個測點諧和度較低，均低于90%。為此對上述極其個別年輕離群點、年齡明顯偏老鋯石，以及諧和度低于90%的7個測點年齡予以刪除。對剩余33個點的數據加權平均值計算，獲得年齡為239.60±0.43Ma(MSWD=1.4)，屬于中三疊世早期。

圖3 鹽津地區綠豆巖鋯石陰極發光圖像

圖4 鹽津地區綠豆巖鋯石U-Pb年齡諧和圖(a)和數據離群性特征(b)

4.2 全巖地球化學特征

綠豆巖SiO2含量為58.83%～62.36%，平均60.53%；MgO含量為6.18%～7.04%，平均6.64%，相應的Mg#值為87.18～89.22；K2O含量為7.00%～7.98%，平均7.63%；Al2O3含量為13.95%～16.18%，平均14.97%；Fe2O3含量為1.21%～1.42%，平均1.32%；FeO含量為0.17%～0.51%，平均0.38%；Na2O含量為最低0.0051%～0.023%，平均0.0111%；P2O5含量為0.17%～0.23%，平均0.19%。TiO2含量為0.24%～0.27%，平均0.25%。對該區綠豆巖常量元素在巖漿巖分類圖上投點(Middlemost, 1994)，投點于粗面英安巖(圖5a)，亞堿性系列，反映了一定堿質含量，主要由K2O高含量引起的。經計算該區綠豆巖CaO+Na2O+K2O(分子數)< Al2O3(分子數)；Al2O3(分子數)> Na2O+K2O(分子數)，故屬亞堿性系列。鋁飽和指數(A/NKC)為1.38～1.76，平均1.54，反映為強過鋁質巖石。根據前人對世界典型火山巖化學成分分析結果，安山巖SiO2含量平均57.94%，流紋巖SiO2含量平均72.87%(Le Maiter, 1976)，本區綠豆巖SiO2含量表明為中性略偏酸性火山巖類。Le Maiter(1976)對世界典型火山巖主要化學成分分析同時表明，安山巖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，該區綠豆巖具富K、Mg，貧Fe、Na、P、Ti的特點；Al含量略低，與典型安山巖平均含量接近。

圖5 鹽津地區綠豆巖TAS圖解(a, 據Middlemost, 1994)及Zr/TiO2×0.0001-Nb/Y圖解(b, 據Winchester and Floyd, 1977)

就稀土元素而言，地殼中的REE總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; 韓吟文等, 2002)。從該區綠豆巖球粒隕石標準化稀土元素配分曲線可以看出(圖6a)，其稀土元素含量是球粒隕石的10～100倍；由表2可以看出，該區綠豆巖稀土總量(∑REE)為169.1×10-6～262.8×10-6，平均217.6×10-6，反映出較高的稀土含量；同時，綠豆巖稀土元素配分曲線與圍巖配分曲線形態相似(圖6a)，這表明綠豆巖母巖形成過程中可能有地殼硅鋁質的交代、混染。該區綠豆巖(La/Yb)N值為5.30～10.33，平均值6.76，輕稀土富集，重稀土虧損，球粒隕石配分曲線呈略向右傾斜；δEu呈強負異常，0.14～0.17，平均0.15。在原始地幔標準化微量元素蜘蛛圖中(圖6b)，綠豆巖標準化曲線與圍巖相似。綠豆巖以富集大離子親石元素(LILEs：Rb、K、Th、Zr等)，虧損高場強元素(HFSEs：Nb、Ta、Ti、P、Sr等)(圖6b)及極低的Cr(1.02×10-6～2.77×10-6)、Ni(1.02×10-6～2.37×10-6)含量為特征，與俯沖帶巖漿地球化學特征類似(Wilson, 1989; Takagietal., 1999)。應用微量元素Nb/Y-0.0001×Zr/TiO2進行巖石類型的研究，投點于英安巖區域(圖5b)(Winchester and Floyd, 1977)。

圖6 鹽津地區綠豆巖球粒隕石標準化稀土元素配分圖(a)和原始地幔標準化微量元素蜘蛛圖(b)(標準化值據Sun and McDonough, 1989)

5 討論

5.1 定年結果

孫艷等(2017)對重慶銅梁地區綠豆巖LA-ICP-MS定年為245.86±0.98Ma；謝韜等(2013)對云南羅平生物群(安尼期)下部凝灰巖(華南廣泛分布的綠豆巖)進行了鋯石LA-ICP-MS定年，其年齡為246.60±1.40Ma；Lehrmannetal.(2006)對貴州關刀地區的多層火山凝灰巖進行了鋯石U-Pb定年，結果為246.77±0.13Ma、247.13±0.12Ma、247.32±0.08Ma、247.38±0.10Ma；Ovtcharovaetal.(2006)對廣西鳳金山金牙剖面的火山凝灰巖鋯石定年，結果為248.12±0.41Ma；王彥斌等(2004)和鄭連第等(2010)對貴州望謨縣甘河橋剖面的火山凝灰巖U-Pb定年結果得到分別為239.00±2.90Ma和247.60±1.4Ma；戴桐謨等(1995)應用連續激光探針質譜40Ar/39Ar法測定貴州青巖綠豆巖年齡為239.16±14.13Ma；胡世玲等(1996)對貴州遵義上邊新撲村中三疊統松子坎組最底部厚0.15～0.4m的玻屑凝灰巖光片樣品進行了激光質譜40Ar/39Ar多階段升溫和全熔融等時年齡研究，得到一個樣品的坪年齡和等時年齡及另一個樣品的全熔融等時年齡分別為238.50±4.80Ma、238.90±4.80Ma、239.60±4.80Ma。從以上可以看出，包括中上揚子在內的華南地區下三疊統與中三疊統之間有多層凝灰巖，這些凝灰巖在中上揚子地區多以綠豆巖的形式產出。前人對綠豆巖(凝灰巖)的研究所獲年齡主要集中在246Ma和239Ma兩個時間段，其形成可能與該地區的兩次火山噴發有關：第一次為246～248Ma，第二次為238～239Ma。本次研究的滇東北鹽津地區關嶺組底部凝灰巖(綠豆巖)，可能形成于第二次噴發過程。

一個值得深入思考的問題，華南廣泛分布的中、下三疊統之間凝灰巖來自何處？與何時的構造運動相關聯？結合區域地質年代學的對比，我們認為華南地區上述凝灰巖層可能與古特提斯洋的關閉有關。

目前的研究表明，在華南南緣與印支地塊之間自云南哀牢山、雙溝至越南北部Song-Ma帶并向東延至海南邦溪-晨星，存在NWW-EW向的古特提斯洋(簡平等, 1998; 沈上越等, 1998; 李獻華等, 2000; 梁新權等, 2005; Wangetal., 2010)。Xiaetal.(2019)、Xuetal.(2019)研究了哀牢山縫合帶東西兩側龍潭組及三疊系地層碎屑鋯石特征，來自縫合帶東側龍潭組碎屑鋯石年齡峰值為240Ma，來自華南地塊西部的下-中三疊統地層碎屑鋯石年齡峰值為254～251Ma，來自印支地塊東部中三疊統地層碎屑鋯石年齡峰值為246～242Ma，來自縫合帶兩側的上三疊統地層最年輕鋯石年齡為約230Ma，古特提斯洋在晚三疊世最終關閉實現陸-陸碰撞。以上資料反映出在哀牢山縫合帶兩側有246Ma、240Ma兩個較為集中的年齡數據。在綜合以上年代學資料，特別是在最新研究的基礎上，我們認為揚子地區關嶺組底部凝灰巖(綠豆巖)很可能來自古特提斯洋向華南板塊俯沖導致的火山噴發，并遠距離搬運至中上揚子地區。本文前述中上揚子地區下-中三疊統之間多層凝灰巖(綠豆巖)的兩個年齡值(246～248Ma、238～239Ma)可能對應兩次較強的弧火山活動過程，第二次火山噴發過程(與本次測年結果吻合)印支地塊、華南地塊進一步靠近，逐漸向晚三疊世陸-陸碰撞(230Ma)過程轉化。

5.2 源區特征與巖石成因

綠豆巖是火山凝灰巖，分析測試具有很高的燒失量(6.88%～7.83%)，指示樣品蝕變非常強烈(紀政等, 2018)，故其部分活動性主量元素會發生遷出或者遷入。因此，其主量元素的巖石學分類僅具參考意義，而應以微量元素巖石類型投點結果為準。該區綠豆巖SiO2及K2O含量偏高，可能發生了二者的遷入現象，這種主量元素的遷入可能與多種地質因素和過程有關。該區綠豆巖Mg#值(87.18～89.22)，與基性下地殼物質部分熔融產生的巖漿明顯不同(Mg#值通常小于45)(Rapp and Watson, 1995; Rappetal., 1999)，巖漿的起源可能與板塊俯沖流體或熔體交代地幔楔的部分熔融(Yuetal., 2017)。

綠豆巖微量元素中，Li含量為352×10-6～469×10-6，平均417×10-6。Li含量大于400×10-6是粘土巖類巖漿成因的標志(郭其悌, 1975)，因此，從該區綠豆巖Li含量反映出其為巖漿成因粘土巖類。巖石具明顯的Nb和Ta虧損，以及明顯的Zr和Hf富集，指示安山質巖漿在上升過程中有明顯的地殼混染(Yuetal., 2017)。

根據微量元素特征參數Nb*(Nb*=2Nb(巖石/原始地幔)/(Zr(巖石/原始地幔)+Mo(巖石/原始地幔));徐夕生和邱檢生, 2010)的計算，綠豆巖樣品的Nb*值為1.44～2.30，而大陸殼物質和花崗質巖石的Nb*通常小于1(徐夕生和邱檢生, 2010)，因此，推斷該區綠豆巖母巖并非來自板塊內部的大陸地殼，而可能來自洋殼或匯聚的板塊邊緣。根據徐夕生和邱檢生(2010)的研究，Sr相對于Ce和Nd的虧損(即Sr的負異常)可能是斜長石發生了分離結晶的緣故。本文綠豆巖的Sr*值(Sr*=2Sr(巖石/原始地幔)/(Ce(巖石/原始地幔)+Nd(巖石/原始地幔));徐夕生和邱檢生, 2010)為0.02～0.03，虧損嚴重，說明其形成過程中存在斜長石分離結晶。此外，斜長石分異對Eu的分配系數的影響遠遠大于其它稀土元素，各類巖漿巖中Eu負異常的產生往往與斜長石的結晶分異有關(韓吟文等, 2002)，本文區綠豆巖Eu負異常明顯，說明在其母巖噴發之前經歷了斜長石的結晶分異。

據研究，俯沖板片或拆沉下地殼部分熔融產物與地幔反應可形成安山質巖漿，該巖漿具有埃達克巖高Sr/Y比值及低的Y和Yb含量的特征。該區綠豆巖反映的其母巖巖漿具有相對低的Sr/Y比值以及較高的Y和Yb含量，明顯不同于俯沖板片或拆沉下地殼來源的埃達克巖，而與典型的弧火山相似(圖7；Defant and Drummond, 1990)。說明其巖漿的起源應來自洋殼的俯沖，流體或熔體交代地幔楔的部分熔融。

圖7 鹽津地區綠豆巖Sr/Y-Y圖解(據Defant and Drummond, 1990)

5.3 構造意義

滇東北鹽津地區中三疊統關嶺組底部綠豆巖具有典型的俯沖帶弧巖漿巖地球化學特征，其富集大離子親石元素和輕稀土元素，虧損高場強元素和重稀土元素，起源于受俯沖帶交代的虧損地幔，并可能有地殼沉積物的交代、混染。該區綠豆巖Zr/Nb值在11.86～18.58之間，落在島弧火山巖的Zr/Nb值范圍內(Zr/Nb=0～60)。在Ta/Yb-Th/Yb(Pearce and Norry, 1979)構造環境判別圖上，主要落點于活動大陸邊緣范圍內，偶見落在與洋內島弧區的界線(圖8a)，可能反映了受洋殼消減作用比較明顯，綠豆巖的形成在與俯沖消減作用有關的活動大陸邊緣環境。同時，根據前人相關研究成果，應用Sc/Ni-La/Yb對綠豆巖進行構造環境的判別，投點于大陸邊緣弧和以及與演化的大洋弧共有的區域(圖8b)(Condie, 1989)。就巖石類型而言，前人研究表明，不成熟島弧以玄武巖和玄武安山巖為主，成熟島弧以安山巖和英安巖為主，成熟大陸邊緣弧以安山巖、英安巖和流紋巖為主(徐夕生和邱檢生, 2010)。根據Sc/Ni-La/Yb投點特征(圖8b)，也可以看出該區綠豆巖主要形成于與消減作用有關的成熟大陸邊緣弧。

圖8 鹽津地區綠豆巖Th/Yb-Ta/Yb圖解(a,據Pearce and Norry, 1979)和La/Yb-Sc/Ni圖解(b,據Condie, 1989)

一個值得重視的問題，上述兩個構造環境判別圖都有少量洋內島弧的落點，這一特征指示出在以俯沖消減作用有關的活動邊緣火山弧活動背景下，可能同時還存在在少量洋內島弧的火山噴發。根據Xiaetal.(2019)的研究，240Ma左右中三疊世時，哀牢山洋向東西兩側俯沖，此時哀牢山洋尚未關閉，洋殼向兩側俯沖，在洋盆東側的華南地塊西緣發育火山弧和弧后盆地，隨著洋殼的俯沖消減，洋盆于晚三疊世(230Ma)最終關閉，導致陸-陸碰撞(Xuetal., 2019)。此次定年，該綠豆巖年齡為239.60±0.43Ma，與上述240Ma十分接近，因此，分析認為，哀牢山洋盆在這一時期，向東部的華南板塊俯沖，主要導致了火山英安巖的噴發，同時，在大洋中有少量的火山島弧噴發，這些火山灰一并帶到中上揚子地區，形成沉-凝灰巖(綠豆巖)。

火山灰的長距離搬運，說明具有強烈的火山爆發活動，且巖漿具有較多的地殼組分參與，這與活動大陸邊緣和島弧環境的火山巖組合和火山噴發特點具一致性(路風香和桑隆康, 2002; 李松彬等, 2013)。因此，從其巖石組合、噴發特點以及稀土、微量元素特征來看，可能主要形成于活動大陸邊緣(或陸緣弧)的環境。

6 結論

本文的主要結論如下：

(1)滇東北鹽津地區綠豆巖噴發年齡為239.60±0.43Ma，其原巖物質可能形成于中上揚子地區中、下三疊統火山巖的第二次噴發，是240Ma左右未完全關閉的哀牢山洋向東俯沖過程中大陸邊緣弧火山噴發所形成的火山灰物質被長距離搬運至中上揚子地區沉降而成。

(2)該區綠豆巖主量元素SiO2具有中性偏酸性特點，巖石類型投點于粗面英安巖區域，為亞堿性系列，強過鋁質巖石；綠豆巖形成過程中，主量元素可能存在活性組分的遷入、遷出，根據微量元素，巖石類型投點于英安巖；后者可能更可靠。

(3)所研究樣品微量元素及稀土元素具有與圍巖相似的標準化配分曲線，稀土總量(∑REE)較高，富集大離子親石元素和輕稀土元素，虧損高場強元素和重稀土元素。推測綠豆巖的形成在與俯沖消減作用有關的活動大陸邊緣環境，伴隨有少量洋內島弧的噴發，其原巖起源于受俯沖帶交代的虧損地幔，并有地殼物質的交代、混染。