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云南腾冲火山区

1.构造背景

腾冲火山区(98º15' ~ 98º45' E,24º40' ~ 25º30' N)位于我国云南省西南部,该区火山多、面积广、喷发类型齐全,是我国最年轻的火山区之一。火山区的火山活动受该区大地构造背景控制,它位于印度板块与欧亚板块之间的冈底斯中间板块向南转折后的延伸部分,属滇缅泰板块的一个二级构造单元腾冲微板块(阚荣举和韩源,1992)。腾冲微板块西以密支那缝合线与缅甸板块分界,东以怒江缝合线与保山地块分界(图1a,b)。基底岩系为元古界高黎贡山群,为一套变质程度较高的花岗混合岩及少量浅变质岩系,总厚度大于4000m(姜朝松等,1998)。复杂的构造背景使腾冲地区产生了大量的活动断裂,主要为南北向断裂及配套的北西向和北东向断裂(图1c)。


图1 腾冲火山区构造位置与火山岩分布

a-腾冲火山区构造背景,b-区域构造示意图,c-腾冲火山各期火山岩分布图(据Tapponnier et al.,1990;姜朝松,1998修改)。年龄数据单位Ma,测年方法包括K-Ar和Ar-Ar测年方法(引自穆治国等,1987;韩新民等,1996;姜朝松,1998;李大明等,2000; Li et al., 2019)

火山区周边地区构造地震十分频繁,西边的缅甸境内曾发生过多次7级以上强烈地震,火山区南边1976年5月曾在龙陵发生了7.3和7.4级强烈地震。该区还是我国著名的地热区,目前至少发现了58个水热活动区,其中24个温度超过45℃,其中还有3个沸泉群(Zhang et al., 1987; 廖志杰,1999;Guo& Wang, 2012)。最著名的是热海大滚锅(图2)。这些热泉较多与近代火山活动或现代幔源岩浆侵入活动有关(3He/4He≥1.2Ra)(上官志冠等,1999)。


图2 云南腾冲热海大滚锅

2. 喷发历史

腾冲火山岩的年龄从几百万年至数百年,综合前人火山岩年龄数据(穆治国等,1987;姜朝松,1998;李大明等,2000;韩新民等,1996;Li et al.,2017,2019),把腾冲火山喷发分为了五期(图1c):第一期,上新世N2,喷发时间3.83-2.71Ma,火山熔岩由于遭受长期强烈风化,火山锥体大多破坏,仅能见穹丘地貌或火山山体的火山,火山岩为溢出相或喷溢相基性岩。主要分布在火山区的南部,少量分布在火山区北部。第二期,早更新世Q1 P,喷发时间1.99-0.84Ma,多数火山机构已遭到破坏,火山口已不明显,但锥形山体可见。第三期中更新世Q2 P,喷发时间0.72-0.131Ma,火山岩为爆发相或喷溢相,火山从盆地两端向中心发展,火山岩大多为酸性英安岩,其中以大六冲地区最为典型。中更新世火山的火山机构保存较好,大部分仍能见火山口。第四期晚更新世,喷发时间0.078-0.013Ma,喷发范围缩小,主要分布在盆地中心,在打鹰山、马鞍山、黑空山及其附近的大空山、小空山等地喷发。第五期为全新世火山,黑空山、打鹰山、马鞍山三座火山在全新世继续喷发,火山机构保存完好,均为截头圆锥状火山锥,椭圆形火山口,爆发—喷溢相,中性岩为主。

3.三座全新世火山

黑空山火山位于腾冲县城北约25 km处(98º30' E,25º13.8' N),海拔高度达2072 m,熔岩面积约27km2,是区内火山机构保存最完整的火山之一(刘若新,2000)。火山锥体下部为熔岩锥,上部为岩渣锥,火口缘较完整(图3)。黑空山火山自晚更新世以来曾多次间歇性溢出,在锥体南北两侧有明显的熔岩溢出口,自锥体向西、北、东三个方向分布着大面积熔岩流。南部熔岩流覆盖于大空山熔岩流之上,北侧覆盖于团山熔岩流之上。熔岩隧道、熔岩塌陷较常见。Lietal.(2017,2019)获得黑空山火山熔岩下土壤OSL年龄3600±400aBP,碳屑C14年龄为5031±103aBP。

马鞍山火山因其马鞍形锥体而得名(图4),位于腾冲县城西约5km(98°25.7′E ,25°01′N),海拔高1793.2m,熔岩分布面积30km2。由火山锥及面状展布的熔岩流构成。火山锥为双生岩渣锥,火口缘南高北低,北侧有熔岩流溢出口及熔岩塌陷坑。熔岩流形成时代较新,表壳构造保存较完整,有结壳熔岩、渣状熔岩、块状熔岩等类型(刘若新,2000)。尹功明等(2000)根据火山岩样品热释光测年分析,认为马鞍山火山的最后一次大规模的喷发可能距今约2500 ~ 3000年,这与姜朝松(1998)所报道的马鞍山最新一期熔岩所覆盖的大盈江一级阶地堆积物的14C年龄(3800±140a BP)基本吻合。

打鹰山火山位于腾冲县城北约10km(98°27′E ,25°08′N),海拔高度2615m,熔岩面积29km2,是三座火山中年代最早、规模最大、高度最高的一座活火山(图5)。打鹰山火山为多期熔岩流复合而成,顶部有岩渣锥,晚期熔岩湖和熔岩锥,在晚期熔岩湖中仍有小型中央岩渣锥。火山由五期熔岩流构成,各自形成不同成分、不同构造与展布规模的熔岩流,岩浆成分由早而晚自玄武质演变为安山质和英安质。Liu(2018)在腾冲市东南4km的玉璧地区火山灰层采集泥炭14C年龄为13.6±8.4 kaBP,通过成分对比认为来自打鹰山火山。打鹰山顶部火山灰层下部与岩渣层之间采集到的碳屑14C年龄为2018±80aBP(刘若新,2000)。徐霞客游记记载1609年打鹰山有过小规模的喷发,但迄今没有找到年代学等有关方面的证据。从李根源《烈遗山记》中描述的“腾冲多火山,志载明成化、正德、嘉靖、万历年间(公元1465-1620年)火山爆发多次”,说明几百年前,腾冲火山区有过喷发活动。

图3 从左向右分别为黑空山、大空山、小空山

图4 马鞍山火山

图5 打鹰山火山

4.岩石地球化学特征

腾冲火山区岩浆成分范围较大(图6),主量元素显示经历了两次岩浆演化,N2- Q1 p-Q2 P经历了玄武岩—英安岩的演化过程,Q3 P-Qh岩浆成分从粗面玄武岩-玄武质粗安岩演化到粗安岩-粗面岩。在SiO2-K2O图上,腾冲火山岩主要投点在高钾钙碱性火山岩系,K2O含量与SiO2含量正相关。各期的稀土分布图大体相似(图7),均显示轻稀土富集的右倾分配模式,轻稀土分异程度相对重稀土高,Eu弱负异常,存在少量斜长石分离结晶。微量元素亦显示相似的分布模式,均富集LREE、Rb、Th、U、K,亏损高场强元素Nb、Ta、Ti。

图6腾冲火山岩TAS图和SiO2-K2O关系图

(数据来自樊祺诚等,1999;向才英等,2000;赵勇伟和樊祺诚,2010;李欣和刘嘉麒,2013;于红梅等,2012;Li et al.,2019)

图7 腾冲新生代火山岩稀土、微量元素分布图

(数据来自樊祺诚等,1999;周真恒等,2000;赵勇伟和樊祺诚,2010;李欣和刘嘉麒,2013;球粒陨石标准值和原始地幔标准值据Sun and McDonough,1989)

腾冲火山岩具有高87Sr/86Sr(0.705723-0.711243)、低143Nd/144Nd(0.511936-0.512604)、高Pb同位素组成得特征,143Nd/144Nd、Nd(-13.69 - -0.69)和87Sr/86Sr变化范围很大。同位素整体存在很好得负相关性,也指示了腾冲火山岩源区存在明显的壳-幔混合作用,受原始地幔(PM)和富集II型地幔(EMII)两个地幔端元不同程度得混合作用控制,交代了俯冲的大洋地壳和沉积物(周真恒等,2000;Chen et al.,2002)。

5. 地球动力学背景

层析成像研究显示印度板块向东俯冲已经到了缅甸-腾冲地块(Lei et al., 2009; Hu & Wang,2018)。大量的地球物理研究显示该区存在壳内低速体,三维速度结构研究显示腾冲火山区上地壳和上地幔存在负异常,上地壳存在来自上地幔与岩浆有关的热物质(Wang et al.,2003)。

地热梯度显示腾冲火山区存在三个岩浆囊,分别位于马站—曲石附近、腾冲—热海附近和五合-龙江-蒲川附近,埋深分别为10 ~ 25km、5 ~ 25km和7 ~ 14km,横向尺度分别为19km、20km和23km(赵慈平,2006,2008),现今温度分别为397~651℃、438~773℃和64~1163℃(赵慈平等,2011)。3个岩浆囊都在不断受到幔源岩浆的持续补充,腾冲县城-热海一带的岩浆囊活动性最强,是未来腾冲火山最可能喷发的地点(赵慈平等,2012)。

腾冲火山区喷发从上新世持续到了全新世,分为了五个喷发期次,其中全新世火山包括黑空山、马鞍山和打鹰山火山。腾冲火山岩浆成分经历了两个旋回,N2-Q1 P-Q2 P火山岩经历了玄武岩—英安岩的演化过程,Q3 P-Qh岩浆成分从粗面玄武岩-玄武质粗安岩演化到粗安岩-粗面岩。腾冲火山岩源区显示岛弧或大陆边缘特征,受原始地幔(PM)和富集II型地幔(EMII)两个地幔端元不同程度的混合作用控制,交代了俯冲的大洋地壳和沉积物,并经历了壳幔混合作用。地球物理资料显示印度板块已经俯冲到了腾冲火山区下,腾冲火山区下25km以上存在壳内岩浆囊,并受到地幔岩浆的补给,腾冲火山区具有较高的潜在喷发危险性。


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