中国南方早-中三叠世界线凝灰岩的综合性地球化学约束：对古特提斯俯冲期间大陆弧火山活动的启示

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Integrated geochemical constraints on Early–Middle Triassic boundary tuffs in South China: Implications for continental arc volcanism during Palaeo-Tethys subduction

　　

何天天|张博林|曹健|郎建国|叶梦清

中国成都理工大学油气储层地质与开发国家重点实验室及沉积地质研究所，成都610059

摘要

中国南方早-中三叠世界线凝灰岩为约束古特提斯洋俯冲期间的区域地层对比和构造-岩浆演化提供了关键证据，但其形成时间、来源及构造背景仍存在争议。本研究选取了永宁剖面关岭组底部的两层凝灰岩，结合岩石学、矿物学、全岩主量和微量元素地球化学、锆石U-Pb定年、微量元素及Hf同位素分析，并综合了来自中国南方50个剖面的数据进行了研究。研究结果显示，这两层凝灰岩的锆石U-Pb定年年龄分别为247.5 ± 1.8 Ma和246.7 ± 1.8 Ma，而中国南方界线凝灰岩的总体年龄集中在约247.2 Ma。地球化学和同位素数据表明这些凝灰岩来源于中-酸性大陆弧岩浆，Hf同位素显示其含有不同比例的年轻地幔物质和再循环大陆地壳成分。结合区域厚度、空间分布及独特的构造特征，这些凝灰岩记录了华南地块西南部和西北部边缘的多次弧火山活动，表明存在与古特提斯洋俯冲和闭合相关的双重火山源区。早-中三叠世凝灰岩在区域上的地球化学和构造特征一致性支持了一个长期但间歇性的大陆弧系统，该系统从晚二叠世延续至中三叠世，而非孤立发生的火山事件。

引言

早-中三叠世期间，古特提斯洋的俯冲在中国和东南亚地区形成了广泛的凝灰岩层，这些凝灰岩层保存了重要的区域地层对比和构造-岩浆演化信息（Metcalfe, 2013; Li et al., 2021; Chen et al., 2024）。在早-中三叠世过渡期，中国南方下-中三叠世界线附近形成了多层紧密分布的凝灰岩（即火山灰），通常被称为“绿豆岩”（云南省地质矿产局, 1982; 广西地质矿产局, 1985; 贵州地质矿产局, 1987; Guan et al., 1990; Zhu, 1994; Feng et al., 2021; Chen et al., 2024）。由于其广泛的分布、稳定的地层特征和易于识别性，“绿豆岩”长期以来被用作中国南方早-中三叠世界线的关键等时标志（Lehrmann et al., 2006, Lehrmann et al., 2015b; Ovtcharova et al., 2006, Ovtcharova et al., 2015）。已发表的“绿豆岩”层锆石U-Pb定年结果集中在约247 Ma左右，尽管不同剖面之间存在一定的年龄差异。鉴于中国南方良好的生物地层框架，这种年龄差异可能归因于继承性锆石的存在、Pb流失导致的异常年轻年龄以及凝灰岩物质的局部再改造（Feng et al., 2021; Liu et al., 2021; Chen et al., 2024）。因此，系统评估中国南方不同剖面“绿豆岩”的年龄特征对于阐明其成因和火山性质至关重要。

关于中国南方早-中三叠世界线凝灰岩的来源，主要有三种观点：（1）峨眉山大火山省（ELIP）晚期的喷发（Ivanov et al., 2013; Ma et al., 2019; Ju et al., 2020）；（2）与扬子地块北部秦岭洋壳俯冲相关的火山活动（Deng et al., 2018; Li et al., 2020; Yang et al., 2023）；（3）由古特提斯洋板块俯冲引发的三江造山带弧火山活动（Lehrmann et al., 2007, Lehrmann et al., 2015a; Xiang et al., 2019; Feng et al., 2021; Peng et al., 2023; Zhang et al., 2023; Chen et al., 2024; Chuan et al., 2024, Chuan et al., 2025）。从构造背景来看，界线凝灰岩可能形成于与ELIP相关的板内压缩环境（Ivanov et al., 2013; Ma et al., 2019; Ju et al., 2020）、扬子地块西北部的俯冲-碰撞环境（Deng et al., 2018; Li et al., 2020; Yang et al., 2023），或在古特提斯洋俯冲背景下印度支那地块与扬子地块之间的碰撞环境（Lehrmann et al., 2007, Lehrmann et al., 2015a; Xiang et al., 2019; Feng et al., 2021; Peng et al., 2023; Zhang et al., 2023; Chen et al., 2024; Chuan et al., 2024, Chuan et al., 2025）。这些多样的潜在来源和构造背景反映了中国南方复杂的构造-岩浆演化过程，表明界线凝灰岩可能记录了关键构造转变期间多次火山活动的综合响应（Li et al., 2021; Feng et al., 2021; Liu et al., 2021）。尽管现有模型在年龄、地球化学和构造方面具有一定一致性，但缺乏统一的成因框架。因此，确定其来源和构造背景不仅对阐明其成因至关重要，也对理解中国南方早-中三叠世的构造演化具有重要意义。

中国南方许多下-中三叠世剖面中都存在多层凝灰岩，其中贵州省南盘江盆地（即酉江盆地）的凝灰岩层特别厚、地层稳定且易于识别，使其成为凝灰岩研究的理想区域（Zhu, 1994; Lehrmann et al., 2007, Lehrmann et al., 2015a; Chen et al., 2024）。关岭地区的露头良好、连续且富含化石的海洋地层为凝灰岩的保存提供了有利条件，便于进行精确定年、来源分析和构造解释。该地区的永宁剖面尤为适合本研究，因为它保存了连续且变形轻微的下-中三叠世海洋地层，其中凝灰岩层保存完好，化石丰富，为精确定年、来源分析和区域构造地层解释提供了坚实的基础。因此，本研究重点关注永宁剖面下-中三叠世界线附近的兩层凝灰岩（永宁镇-关岭组），通过岩石学、矿物学、全岩地球化学、锆石U-Pb定年、微量元素化学和Hf同位素分析来确定其年龄、来源和构造背景，以揭示中国南方早-中三叠世火山活动的地质动力学机制。

章节摘录

地质背景

早-中三叠世是中国南方南盘江盆地构造演化的一个关键时期，也是印支造山运动的重要阶段。古特提斯洋作为连接大陆块的主要海洋单元，经历了持续的俯冲、逐渐消减和局部闭合，对周边地区的构造格局和岩浆活动产生了深远影响（Jian et al., 2009; Zi et al., 2012; Gao et al., 2013; Metcalfe, 2013; Wang et al., 2021）

样品

从关岭县永宁剖面（GPS：25°53′47.24″ N, 105°27’43.39″ E）的关岭组底部采集了两块凝灰岩样品（YNZ-220-1和YNZ-250-1）。优先选取了新鲜露头样品以避免风化或变质物质，并在南京顺科测试技术有限公司进行制备和分析前立即密封以防止污染。

X射线衍射

粉末样品（粒径≤200目）在低温条件下（≤40°C）制备

岩石学和矿物学特征

研究的这两层凝灰岩呈侧向连续的层状分布，与相邻地层整合良好（图2A–B）。每层颜色为灰白色至淡绿色，粒度细，整体具有黏土质纹理。岩石学观察显示典型的火山碎屑成分，包括石英晶体碎片、部分脱玻化的火山颗粒和富含黏土的火山碎屑（图2C–D）。石英颗粒主要为自形

年龄特征

早-中三叠世标志着生物恢复和沉积环境发生重大变化的时期，这体现在界线两侧化石组合、相和地球化学特征的显著差异上（Lehrmann et al., 2006, Lehrmann et al., 2015b; Ovtcharova et al., 2006, Ovtcharova et al., 2015; Chen et al., 2024; Chuan et al., 2025）。多项研究表明，这一时期沉积的凝灰岩层在时间和空间上具有广泛的对比性

结论

通过对永宁剖面两层早-中三叠世界线凝灰岩的岩石学、地球化学和地质年代学综合分析，并结合中国南方50个剖面的数据，获得了关于这些凝灰岩沉积时间、来源和构造背景的新见解。主要结论如下：

(1)

中国南方早-中三叠世界线凝灰岩的锆石U-Pb定年结果显示年龄集中在约247.2 Ma，支持这一结论

作者贡献声明

何天天：撰写初稿、方法学设计、数据分析。张博林：撰写、审稿与编辑、监督、资金申请、概念构思。曹健：撰写、审稿与编辑、监督。郎建国：撰写、审稿与编辑、资源协调、资金申请。叶梦清：撰写、审稿与编辑、数据分析。

利益冲突声明

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致谢

感谢编辑沈树忠的细心指导和建设性建议，以及两位匿名审稿人的宝贵意见，这些意见显著提升了本文的质量。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42293291和42472155）和四川省科技计划（项目编号：2024NSFTD0004和2025ZNSFSC1178）的支持。