冀北围场山湾子中生代地层层序的重新厘定

2017-03-05 19:07孙肖邓绍颖吴洋刘洪章申晋青
华北地质 2017年1期
关键词:凝灰岩白垩火山岩

孙肖,邓绍颖,吴洋,刘洪章,申晋青

(河北省区域地质矿产调查研究所,河北 廊坊 065000)

冀北围场山湾子中生代地层层序的重新厘定

孙肖,邓绍颖,吴洋,刘洪章,申晋青

(河北省区域地质矿产调查研究所,河北 廊坊 065000)

冀北围场县山湾子中生代地层为一套以中酸性火山岩为主夹碎屑岩的建造。在1/5万地质调查中新发现4套厚度大小不等、横向延伸较稳定沉积岩层,2个平行不整合面及火山岩锆石U-Pb LA-ICP-MS年龄128~155 Ma。经区域对比分析,将平行不整合面之上一套形成时限约为143~155 M的酸性火山岩夹中性火山岩、碎屑岩建造厘定为上侏罗统满克头鄂博组、玛尼吐组;其下形成时限为128~141 Ma的中酸性火山岩夹碎屑岩建造厘定为下白垩统张家口组、大北沟组和义县组。

地层序列;划分方案;河北省;内蒙古;山湾子

山湾子中生代火山-沉积盆地位于中生代冀北火山喷发带与大兴安岭中南部火山喷发区的过渡地带。自20世纪50年代以来,京、津、冀地质单位和院校在本区及北临内蒙古大兴安岭地区开展过大量地质调查工作。1959年,河北省区测队[1]将其归为上侏罗统酸性、亚碱性碎屑岩;1960年,承德综合地质大队[2]将其归为下白垩统五化组;1979年,河北省第二区域地质调查大队[3]将该套火山沉积地层主体划为大北沟组(J3d),下部酸性火山岩划归张家口组(J3z),时代置于晚侏罗世;1996年,河北省地质矿产局[4]将其划归为上侏罗统张家口组(J3z)、大北沟组(J3d)和义县组(J3y);内蒙古自治区地质矿产局(1996)[5]将北临内蒙古大兴安岭地区的该套地层划归为上侏罗统满克头鄂博组(J3mk)、玛尼吐组(J3mn)、白音高老组(J3b)和下白垩统梅勒图组(K1m)。中国地质科学院地质研究所(1996)[6]将该套地层形成时代置于早白垩世,下部中酸性火山岩夹沉积岩划归张家口组,细分为一、二、三段;中部富含化石沉积岩夹酸性火山岩划归为大北沟组(K1d);上部中性火山岩夹沉积岩、酸性火山岩划归义县组(K1y)(表1)。由此可见,对该套地层的划分与时代归属仍存在较大争议。

笔者基于“河北1/5万三义号(K50E009015)、大杖房(K50E009016)、竹笠沟(K50E010015)、山湾子(K50E010016)幅区域地质矿产调查”项目(2012年),针对山湾子中生代火山-沉积盆地构造位置的特殊性,结合华北陆块燕山期板内造山新理论[7],对其地层层序、物质组成和地质时代进行调研工作,重新厘定为上侏罗统满克头鄂博组(J3mk)、玛尼吐组(J3mn)和下白垩统张家口组(K1z)、大北沟组(K1d)、义县组(K1y)。

1 区域地质概况

山湾子地区晚中生代陆相火山-沉积地层位于中生代冀北火山喷发带与大兴安岭中南部火山喷发区的过渡地带,地跨冀北、蒙东南分属不同的行政区划。大地构造位置位于康保-赤峰断裂北侧。按照“槽台学说”位于内蒙-大兴安岭古生代地槽褶皱系之赤峰晚华力西地槽褶皱带;据“板块构造理论”,一级构造单元为华北陆块(Ⅱ),二级构造单元为华北陆块北部大陆边缘(Ⅱ2),三级构造单元为镶黄旗-赤峰晚古生代活动陆缘()(图1)。

中生代以来,本区已纳入滨太平洋构造域大兴安岭-太行山板内造山带,大兴安岭中南段中生代火山喷发带南缘(内蒙古)与丰宁-围场-赤峰火山喷发带(河北)的过渡地带。受濒太平洋构造控制,地壳区域构造应力场表现为NW-SE伸展,在区内形成了一系列NE-NEE向展布的断裂和岩浆活动带,以及配套的北西向断裂等构造形迹;至喜马拉雅期,构造运动继承了燕山期构造线方向,早期以断裂和中基性岩浆喷发为主,晚期以地壳差异性升降为主,形成并奠定了现代地貌格局(图2)。断裂构造总体上以NE、NE向脆性正断层为主,褶皱变形相对较弱,显示NNE向展布的上黄旗-乌龙沟深大断裂向NEE延伸的特点;近EW向的围场-赤峰深大断裂造成了“坝上高原-坝下山地”的地貌差异[9]。符合区域性断裂控制了褶皱构造的分布和几何学型式[10-12]。

2 山湾子中生代盆地地层层序特征

在山湾子中生代盆地陆相火山-沉积建造中,新生代中新世汉诺坝组覆盖在中生代地质体之上的角度不整合面代表了中生代地层发展演化历史结束,本次野外地质调研又新识别出两个平行不整合面,通过地质剖面测制建立了本区中生代地层序列(图3)。

2.1 沉积岩层特征

不同阶段的沉积作用具有不同特点,对区内地层层序的识别具有一定标志层作用。盆地中从下向上发育4套沉积岩层(图2、图3):第①套分布于测区南东部红旗柳、二龙库、白家窝铺、新店、德合公、白家店一带,岩性以紫红色凝灰质长石岩屑砂岩、凝灰质含砾砂岩、沉凝灰岩为主,夹薄层酸性火山岩,发育平行层理,楔状交错层理,具河湖流相沉积环境。不同地段出露厚度不等,大致在0~152.50 m之间,以白家窝铺北出露最厚,南部德合公等地厚度不足10 m,北部横沟子一带缺失。此层为上侏罗统玛尼吐组与下伏满克头鄂博组划分的标志层。第②套出露于测区裴家窝铺、山湾子区、新店、王家店村、桦木杖子、三道沟村等地,岩性以灰紫色、紫红色复成分砾岩、凝灰质砂砾岩、钙质砂砾岩、凝灰质中粗粒岩屑砂岩、含凝灰质中粗粒岩屑长石砂岩等组成,以裴家窝铺出露最厚,约134.06 m。下部以砾岩为主,发育冲刷面、块状层理、具冲积扇相环境,从沉积作用的构造意义来看,具有同构造沉积的磨拉石性质[13],与下伏酸性火山岩呈平行不整合接触。上部以砂岩为主,发育平行层理,板状、楔状交错层理,属河流相沉积环境。此层为下白垩统张家口组与下伏玛尼吐组划分标志层。第③套分布于测区南部北山根、山湾子一带,岩性以褐黄色、紫灰色、浅灰绿色粉砂岩、粉砂质泥岩、砂岩、砾岩、泥晶藻屑灰岩、白云岩等沉积岩为主,富含Megaumbonia fengwuliangensisNiu(峰窝梁大胎壳叶肢介)、Nestoriasp.尼斯托叶肢介(未定种)等生物化石(由南京古生物研究所鉴定),均为冀北早白垩世大北沟组Nestoria pissovi组合带常见的分子。发育平行层理、波状水平层理、波纹层理、板状层理、槽状交错层理等,其沉积环境湖相为主,河流相次之。第④套分布于测区南部北山根、西山湾、五号村、大水泉等地。岩性为灰、灰紫色凝灰质含砂质砾岩、含砾粗砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩,厚度不稳定,多小于20 m。发育平行层理、楔状交错层理,属河流相沉积环境。此层为下白垩统义县组与下伏大北沟组划分标志层。

2.2 两个平行不整合面

山湾子陆相火山-沉积建造中新发现的两个平行不整合面,对中生代地层层序的划分和建立具有重要地质构造意义。PM06剖面(图3)第②套沉积层与下伏酸性火山岩之间平行不整合面,沉积层下部以冲积扇沉积为主,具底砾岩特点,为上侏罗统(J3)与下白垩统(K1)分界面。PM05剖面大斑安山岩与下伏酸性火山岩之间平行不整合面,安山岩底部发育古风化壳[14],表明在张家口期之后本区地壳相对抬升遭受风化剥蚀。

2.3 火山岩特征

研究区火山岩具有复杂性、多期性和源区多样性的特点,不同喷发期次形成不同的岩石组合,由下至上分为7套火山岩组合(图3):A为流纹质角砾凝灰岩、流纹质熔结凝灰岩、流纹岩、流纹质凝灰岩等,为一套酸性火山碎屑岩、酸性火山熔岩组合;B为气孔状玄武岩、玄武安山岩,为一套中基性熔岩组合;C为石英粗面质熔结凝灰岩、熔结角砾凝灰岩、粗面岩、安山岩,流纹质熔结凝灰岩、熔结角砾凝灰岩、凝灰岩,流纹岩等,为一套酸偏碱性火山岩;D为流纹质熔结角砾凝灰岩、石英粗面质熔结角砾凝灰岩、流纹岩、流纹质凝灰岩等,为一套酸性火山岩;E为安山质集块岩、集块角砾岩、角砾凝灰岩、安山岩,为一套中性火山岩;F为流纹质凝灰岩、流纹质角砾凝灰岩等,为一套酸性火山岩;G为灰绿、灰紫、黑灰色安山岩、气孔杏仁状安山岩,安山质凝灰熔岩、安山质角砾熔岩,安山质角砾凝灰岩,安山质角砾岩、集块岩等,为一套中性火山岩。

在不同火山岩组合中选择11个具代表性的火山岩样品(图2),探讨其岩石学、岩石地球化学特征、时代归属和形成的构造环境。岩矿鉴定、主量、微量、稀土元素测试,以及锆石挑选由河北省区域地质矿产调查研究所中心实验室完成,锆石制靶和透射光、反射光、阴极发光照相在北京锆年领航科技有限公司完成,锆石U-Pb同位素LA-ICP-MS测年工作由天津地质矿产研究所实验室完成。

2.3.1 岩石学特征

A-G组合代表性火山岩显微镜下鉴定岩石名称为:A流纹岩(D2221)、流纹岩(PM37-1)、流纹质凝灰岩(PM02-1);B玄武安山岩(PM02-2);C流纹质含角砾凝灰岩(PM06-1);D流纹质-粗面质熔结凝灰岩(PM33-1)、粗面质含角砾熔结凝灰岩(PM03-1);E斑状安山岩(PM03-2);F流纹质含角砾熔结凝灰岩(PM05-2);G安山岩(PM28-1)、安山岩(PM26-1)。自下而上具有以下特征:下部(A-C)流纹岩中斑晶为长条状钾长石、他形粒状石英(12%~18%),基质为微粒状长英质(65%~70%)和火山角砾(23%~12%)等组成,流纹质凝灰岩中火山角砾(2%~3%)、晶屑(20%~25%)、岩屑(1%~3%)和玻屑(70%~75%),向上火山角砾(20%)、岩屑(15%)增加,火山爆发指数增高;上部(D-G)酸性火山碎屑岩出现大量塑性浆屑(10%±)、塑性玻屑(80%±),部分具粗面结构,假流动构造,属碎屑流相;中基性火山岩多呈斑状结构,斑晶以斜长石(20%~35%)为主,安山玄武岩中见有辉石,基质多为隐晶质(图4)。

2.3.2 岩石地球化学特征

研究区晚中生代晚侏罗世-早白垩世火山岩类岩石地球化学分析数据见表2。

(1)主量元素特征

从研究区火山岩主量元素分析,总体上显示硅质、钾质系列火山岩(图5、图6),这与冀北晚中生代火山岩特征基本一致。

上侏罗统火山岩由酸性→(喷发间歇)→中-基性→酸性,SiO2平均含量:74.91%→52.91%→77.74%;镁铁质平均含量(MgO+FeO+Fe2O3):2.48%→12.26%→1.36%;碱性物质含量(K2O+Na2O):8.70%→6.31%→7.65%。可以看出上侏罗统火山岩经火山间歇期后,硅质减少,镁铁质增加,碱性物质变化不大。在碱-二氧化硅图解中(图7),所有酸性火山岩样品均落入亚碱性区(S),与里特曼指数(平均值为2.28)基本一致,属碱性岩系列中的亚碱性系列。中基性火山岩属碱性系列。

下白垩统火山岩由酸性→(喷发间歇)→中性→(喷发间歇)→酸性→(喷发间歇)→中性,SiO2平均含量:72.48%→55.82%→78.53%→60.04%;镁铁质平均含量(MgO+FeO+Fe2O3):2.27%→9.61%→3.56%→6.80%;碱性物质含量(K2O+Na2O):9.51%→6.97%→3.82%→8.45%。可以看出下白垩统火山岩具有多喷发旋回特点,由亚碱性系列向碱性系列演变的特征。

(2)稀土、微量元素特征

区内上侏罗统-下白垩统火山岩稀土配分曲线(图8),多数表现为右倾轻稀土富集型,(La/Yb)N为3.68~23.75,轻、重稀土分馏程度较高,轻稀土呈明显富集,重稀土亏损。

酸性火山岩负铕异常强(0.09~0.49),岩浆分异强。Rb/Sr值1.99~20.0,大于上地壳(0.25)。大离子亲石微量元素Rb、K相对富集,Sr、Ba相对亏损,高场强元素Zr相对富集、Nb相对亏损和放射性元素Th相对富集、U相对亏损、亲铁元素Ti相对亏损,轻稀土元素La、Ce相对富集(图9),与壳源成因类型类似;中基性火山岩负铕异常弱(0.66~0.90),Rb/Sr值0.13~0.09,接近上地幔(0.02),但稀土总量偏高(209.85× 10-6~343.68×10-6),大离子亲石元素Sr略有亏损,K略富集,轻稀土元素La、Ce相对富集,与壳幔混源特征基本一致。因此,岩浆源区具有壳源-壳幔混源多旋回特征。

2.3.3 形成的构造环境

按照板块构造的观点,碱度不同的三个火山岩系列,在不同构造部位上分布是不同的。将上侏罗

统、下白垩统火山岩数据投入里特曼-戈蒂里图解(据niltmann,1975)中(图10)。本区中生代火山岩均以亚碱性岩系为主,样品大多数落入造山带火山岩区(B区)。两件样品投入派生火山岩区(C区),反映了板内造山火山岩特点。

一般认为碱度率(AR)的大小及变化范围与岩浆作用的构造环境有关。AR=2.9~3.9,岩石碱度低,变化范围小,多见于挤压环境的岩浆弧(或岛弧)及活动大陆边缘;AR=4.3~9.1,碱度较高,变化范围大,多见于拉张环境的稳定构造区。本区火山岩AR=1.6~5.13变化,说明晚侏罗世-早白垩世火山岩形成于拉张、挤压交替的构造环境中,反映了火山喷发活动具多旋回性。与该时期太平洋板块扩张,造成了华北陆块地幔不均衡上隆,整个华北陆块处于北西-南东向挤压应力场中的环境一致。地幔上隆也造成了地壳北西-南东向伸展拉张应力作用。挤压与松弛交替作用,控制着本区北东-南西向主断裂构造形成,以及不同期次、不同岩浆源的火山喷发活动。

2.3.4 LA-ICP-MS年龄及形成时代讨论

研究区仅获得10个火山岩锆石U-Pb LA-ICPMS年龄(图11,图12)(分析数据见参考文献[15])。A火山岩组合:TW2221、PM37-1和PM02-1的锆石在Cl图像上,所采集的锆石多数为板柱状、长柱状,晶棱、晶面锋锐、清晰,震荡环带特征明显,锆石成因单一,U-Pb年龄分别为:154.7±0.6 Ma、154.59±0.6 Ma和150±0.6 Ma,其成岩年龄在150~156 Ma之间。个别靠近核部采集点年龄值偏大(215、354 Ma),可能反映了石炭纪、三叠纪花岗岩的年龄[6]。B火山岩组合:PM02-2所挑选锆石成因类型多,其中长柱状、震荡环带特征明显,成岩年龄为149.7± 0.7 Ma。短柱状锆石年龄异常(39~46 Ma),可能为始新世汉诺坝组混入锆石[6]。暗色、形状不规则为捕获锆石(385、1974 Ma),可能反映了石炭纪、新太古代花岗岩的年龄[6]。C火山岩组合:PM06-1多数锆石晶形较好,锆石成因单一。锆石U-Pb年龄为143.1±0.7 Ma。D火山岩组合:PM03-1、PM33-1多数锆石晶形较好,震荡环带特征明显,锆石成因单一,PM03-1样品锆石U-Pb年龄为140±1 Ma,PM33-1样品同位素年龄为138.0±1.9 Ma,个别采集点偏向核部的年龄偏大。E火山岩组合:PM03-2样品锆石晶形大多数不完整,个别较好(19号点),局部锆石多次生长(6号点),导致核部与外围年龄不一致。大部分数据一致性较好,成岩年龄:149.7±0.7 Ma。该年龄与下伏酸性火山岩年龄值(143 Ma±)相比偏大,仅作为参考使用;F火山岩组合:PM05-2锆石挑选差,缺数据。G火山岩组合:PM28-1、PM26-1锆石U-Pb年龄分别为:129.5±0.7 Ma、130.6±1.1 Ma。由于安山岩在喷发过程捕获了部分围岩锆石,出现了个别150 Ma±年龄值。

综上,区内火山岩LA-ICP-MS年龄多介于128~155 Ma之间,其形成时代为晚侏罗世-早白垩世。《国际地层表》晚侏罗世与早白垩世时限为145.5±4.0 Ma,冀北早白垩世张家口组火山岩锆石U-Pb同位素测年数据范围为143.0±3.7 Ma~136.1± 1.4 Ma(据韦忠良等,2008)[16],同时充分利用平行不整合面在地层划分中的作用。因此,以第1个平行不整合面之上划分为早白垩世地层140±1 Ma~129.5± 0.7 Ma,之下划分为上侏罗统143.1±0.7 Ma~154.7± 0.6 Ma。

3 冀北蒙东南地层对比与划分

据山湾子中生代盆地沉积岩层的分布特征及生物化石、以及与火山岩层的接触关系,参考火山岩同位素年龄,并充分利用平行不整合面在地层划分中的作用,与“河北省岩石地层(1996年)”[4]、“河北省北京市天津市区域地质志(2013年)”[17]、“内蒙古自治区岩石地层(1996)”[5]进行对比,结合华北地块北缘最新研究成果[18],确立了本区中生代地层划分方案如表3。

3.1 上侏罗统

研究区新解体出的上侏罗统主要为一套酸性火山岩夹中性火山岩及分布不稳定的碎屑岩建造,其地层序列及形成时代相当于“河北省岩石地层”中的土城子组。而土城子组为一套红色碎屑岩少夹酸性火山岩建造[19],二者岩性、岩相差异巨大,难以对比;与“内蒙古自治区岩石地层”相比较,岩石学、岩石化学特征及形成时代等与满克头鄂博组、玛尼吐组基本一致,且与内蒙古自治区划分的满克头鄂博组、玛尼吐组紧密相连。本区距玛尼吐组层型剖面位置仅100 km,距满克头鄂博组层型剖面亦不足400 km。故引用满克头鄂博组、玛尼吐组对该套地层冠名,同时以第②套沉积层(141 Ma±)底部的平行不整合面为界,解决了两套地层命名系统的交汇。满克头鄂博组(J3mk)为第①套沉积岩层下伏的酸性火山岩组合;玛尼吐组(J3mn)为第①套沉积岩层及以上中基性、酸性偏碱性火山岩组合,并相应划为3个段,体现了沉积-中基性火山喷发—酸性、偏碱性火山喷发的演化过程。

3.2 下白垩统

区内下白垩统与冀北中生代地层对比性好,基本沿用了1/25万西老府幅[6]划分方案,同时更加系统划分其形成的底界面和形成时限。张家口组(K1z)底部为第②套紫红色砂砾岩,上部为酸偏碱性火山岩,大致形成于137~141 Ma;大北沟组(K1d)底部为大斑安山岩,中部为第③套富含化石的沉积岩夹火山岩,上部为酸性火山岩,与下伏张家口组呈平行不整合接触,大致形成于130~137 Ma;义县组(K1y)底部局部出露第④套沉积岩层,中部以大套安山岩为主,顶部局部出露酸性火山岩,其大致形成于128~130 Ma。

4 结论

冀北围场县山湾子中生代盆地地层序列的建立和划分,再次确认了上侏罗统地层(143.1±0.7 Ma~154.7±0.6 Ma)的存在,重新厘定为满克头鄂博组(150±0.6 Ma~154.7±0.6 Ma)、玛尼吐组(143.1± 0.7 Ma~149.7±0.7 Ma);同时将下白垩统(129.5± 0.7 Ma~140.06±0.59 Ma)重新厘定为张家口组、大北沟组和义县组。该划分方案能正确反映本区处于冀北与内蒙古大兴安岭中南部过渡地带的特色,也便于野外识别和划分。冀北-冀蒙过渡带-蒙东南中生代地层岩性组合的变化,与其构造环境(如构造强度、基底地壳、盖层厚度等)不同有关。冀北上侏罗统土城子组由南向北,越靠近基底陆缘的位置出露厚度逐渐减少,而一些偏大(150 Ma以上)的中酸性火山岩年龄值时有出现(康保、丰宁、隆化一带),北至陆缘基底之上的大兴安岭中南段满克头鄂博组、玛尼吐组则以中酸性火山岩为主,反映了由南向北晚中生代火山喷发活动区域性和差异性特点。

[1]河北省区测队.河北1/100万K-50(张家口幅)区域地质报告[R].河北省区域地质矿产调查研究所,1959.

[2]承德综合地质大队一中队.围场地质报告及矿产汇编[R].河北省区域地质矿产调查研究所,1960.

[3]河北省地质局第二区域地质调查大队.河北省1/20万棋盘山幅区域地质报告[R].河北省区域地质矿产调查研究所,1979.

[4]河北省地质矿产局.河北省岩石地层志[M].北京:地质出版社,1996.

[5]内蒙古自治区地质矿产局.内蒙古自治区岩石地层志[M].北京:地质出版社,1996.

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Redefinition of the Shanwanzi Mesozoic stratigraphic sequence in the north Hebei province

SUN Xiao,DENG Shao-ying,WU Yang,LIU Hong-zhang,SHEN Jin-qing

(Regional geology and Mineral Resources Research Institute of Hebei Province,Langfang Hebei 065000,China)

The Shanwanzi Mesozoic basin,located in the north margin of the North China Block,consists of maily a set of acidic volcano formation with sedimentary rocks.Four stable sedimentary layers and two parallel unconformity surfaces were discovered the 1/50 000 geological survey.The zircon LA-ICP-MS U-Pb ages of the volcanic rocks in the study area are 128~155 Ma.The composition,stratigraphic sequence,formation age and tectonic environment of the Mesozoic basin were redeterminated.The upper Jurassic system(143~155 Ma) partition for the Manketouebo Formation and Manitu Formation;while the Lower Cretaceous(128~141 Ma) division for the Zhangjiakou Formation,Dabeigou Formation and Yixian Formation.

stratigraphic sequence;partition scheme;Shanwanzi;Hebei province;Inner Mongolia

P539.2

A

1672-4135(2017)01-0001-12

2016-12-07

国家地质调查项目“河北1/5万三义号、大帐房、竹笠沟、山湾子幅区域地质矿产调查(1212011220488)”

孙肖(1974-),男,高级工程师,从事区域地质矿产调查工作,Email:sunxiao1028@sohu.com。

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