胶莱盆地中部李党家—马山古凸起白垩纪岩石地层序列及岩相古地理

徐伟祥

1)山东省第四地质矿产勘查院,山东潍坊,261021;

2)山东省地矿局海岸带地质环境保护重点实验室,山东潍坊,261021

内容提要:李党家—马山古凸起为胶莱盆地前莱阳群沉积期凸起,第四系覆盖严重,研究程度较低,一直是胶莱盆地研究的薄弱环节,长期以来未能揭示其地层、构造面貌。 本文通过大量地表地质调查和对李党家—马山古凸起之上的胶参2 井、胶参3 井综合录井资料研究解释,运用层序地层学原理和沉积相分析、岩相古地理研究,对研究区沉积填充序列进行了描述和对比分析,理清了研究区白垩纪地层层序格架,恢复了李党家—马山古凸起白垩纪岩相古地理。 李党家—马山古凸起莱阳群沉积期未沉积,青山群沉积期开始沉降,连续沉积了后夼组和八亩地组及王氏群辛格庄组。 研究区处于火山洼地中,整体为一套巨厚陆相细碎屑岩沉积,夹少量火山岩—火山碎屑岩沉积组合,其中的火山沉积识别出4 期火山旋回。 本研究为胶莱盆地原形盆地恢复提供了依据。

胶莱盆地位于山东省东部华北板块内部,介于胶北隆起和胶南隆起之间,西以沂沭断裂带为界,向东延伸到黄海(李桂群等,1994;宋明春,2008),一直是中生代基础地质研究的焦点之一。 经过前人几代地质学者的不懈研究,已基本揭示出其建造—构造相特征,主要工作集中于层序发育完整的莱阳凹陷和诸城凹陷(徐伟祥,2019),一些学者通过典型剖面的观测以及沉积填充系列的分析、对比,建立了盆地地层层序格架,并对胶莱盆地原型进行了恢复(李金良等,2005;任凤楼等,2008;张岳桥等,2008;吴冲龙等,2009;任天龙,2019),但由于自然因素和科技手段限制,许多问题仍然没有得到合理解释。李党家—马山古凸起上地层归属和岩性古地理就是一个长期悬而未决的问题。

研究区位于荆山凸起(或称大野头凸起)和高密(或称高密—景芝)凹陷之间,Ⅴ级大地构造单元存在两种划分观点:一是山东省地层侵入岩构造单元划分方案(张增奇等,2014)未考虑前莱阳群沉积期凸起,将研究区划分为胶州—兰底凹陷和夏格庄凹陷;二是考虑胶莱盆地基底埋深(李桂群等,1994;宋明水等,2005;吴冲龙等,2009;邵银川,2017;孙伟清等,2019;徐伟祥,2019),恢复了前莱阳群沉积期凸起,将研究区称为李党家—马山古凸起。北侧为平度凹陷和夏格庄凹陷,南侧为高密凹陷(图1)。 李党家—马山古凸起地貌上属于胶莱盆地腹地平原,大面积第四系覆盖,鲜见基岩露头,难以恢复其真实面貌。 众多研究者根据胜利油田20 世纪80 年代施工钻孔的原始编录,得出结论相对局限❶。 本次研究通过详细的地表调查❷和严谨的钻孔综合录井资料,对李党家—马山古凸起上白垩纪岩石地层特征、沉积相等分析入手,建立了沉积格架,研究了其岩相古地理。 其观点正确与否,与地质同仁商榷。

图1 山东胶莱盆地大地构造位置图(据李桂群等,1994;张增奇等,2014)Fig. 1 Geotectonic location of the Jiaolai Basin in Shandong Province (modified from Li Guiqun et al.,1994＆;Zhang Zengqi et al.,2014＆)

1 区域地质背景

李党家—马山古凸起大致呈北西—南东向展布,区域地层为一套白垩纪陆相碎屑岩—火山岩沉积建造,绝大部分地区被第四系覆盖,第四系厚0.5～30 m。 近地表基岩分布于兰底、七级镇以东地带(图2)。 兰底、移风店至长直一带岩性为王氏群辛格庄组紫红色泥岩、粉砂岩为主,夹少量细砂岩。 长直以东、瓦戈庄一带沿北西向条带分布为王氏群林家庄组灰紫、紫红色巨砾岩、砾岩、砂砾岩等粗碎屑岩,夹灰紫色粉砂岩、粉砂质砂岩夹层。 七级镇、南泉一带为青山群八亩地组安山岩、粗安岩、玄武安山岩,局部夹灰紫色细砂岩、火山碎屑岩夹层。 段泊岚、马山周边、普东以西为莱阳群曲格庄组灰黄、灰紫色砂岩、砂砾岩夹粉砂岩。 高密县城一带分布莱阳群杜村组山麓洪积相卵砾岩、巨砾岩和砂砾岩组合以及杨家庄组砂河流相砂岩。 研究区基岩露头少,不连续,无法测制完整的地层剖面。 胜利油田于1979 年～1981 年在区域上实施了3 口参数井(胶参1 井、胶参2 井、胶参3 井)。 胶参1 井位于高密凹陷内,未揭穿到变质基底,深度1576.46 m。 胶参2井和胶参3 井位于研究区李党家—马山古凸起之上,胶参2 井位于蓝村北,钻探深度1703.27 m,胶参3 井位于万家镇东南,钻探深度2669.07 m,两孔均揭穿白垩纪地层,钻遇前寒武纪基底。 鉴于此,利用上述钻孔资料结合地表调查成果进行综合分析。

图 2 胶莱盆地中部李党家—马山古凸起地质略图❷,❸Fig. 2 Geological sketch map of the Lidangjia—Mashan Paleo-uplift in the central Jiaolai Basin❷,❸

2 岩石地层序列

李党家—马山古凸起白垩纪地层为一套巨厚中生代陆相细碎屑岩沉积,夹少量火山岩—火山沉积碎屑岩。 区域地层总体南倾,产状较缓(倾角一般5°～10°),地层厚度基本接近于钻进深度。 胶参2井揭露厚度1640.0 m(10.0～1650.0 m) (注: 原综合录井图钻孔深度标注精度为0.5 m; 后同),胶参3 井揭露厚度2622.5 m(12.0～2634.5 m)。 以胶参2 井和3 井钻孔安山岩层作为标志层,进行岩石地层单位对比。 安山岩层为青山群八亩地组,之下层位划为青山群后夼组,之上层位划为王氏群辛戈庄组(图3)。 笔者基于陆相地层横向分布不均匀性,突破岩石地层地层单位概念和典型地区层型特征的束缚,考虑到火山沉积环境的不同,研究区位于火山洼地,而非标准剖面所在的火山盆地,钻孔揭示的岩石特征和地层层序不同于标准剖面(张增奇等,1996)。 与火山盆地相比,火山洼地远离火山喷发中心,以正常沉积岩为主,火山岩较少,代之以含大量火山物质的过渡型沉积:火山—沉积碎屑岩。

2.1 后夼组

不整合于基底变质岩之上的红色调为主的泥岩、粉砂岩夹流纹质凝灰岩组合,顶以安山岩层底界为界。 研究区内局限分布于马山地区,厚度59.0 m,岩性以流纹质凝灰岩为主,上部出现砂砾岩。 胶参2 井揭露厚度676.5 m(973.5 ～1650.0 m),岩石组合以紫红、棕红、灰色泥岩、粉砂岩为主,夹流纹质凝灰岩及细砂岩、粗砂岩和少量砂砾岩。 砾石成分复杂,有火山岩、花岗岩、变质岩及少量灰岩。 下部泥岩较多,发育水平微细层理,见黑色碳质沥青。 其沉积环境属于浅湖、前三角洲相沉积。 胶参3 井揭露厚度993.0 m(1641.5 ～2634.5 m),岩石组合主体为紫色、紫红色、绿色泥岩、粉砂岩及深灰色页岩,夹流纹质凝灰岩,少量的细砂岩,偶夹紫红色砂砾岩。 砾石成分有花岗岩、变质岩、火山岩、石英,偶见灰岩砾石。 底部有2.5 m 杂色中砾岩。 其沉积环境属于浅湖、深湖沉积。

2.2 八亩地组

整合于后夼组之上以安山岩为主,局部夹泥岩(或互层)岩石组合,顶与辛格庄组呈喷发不整合接触。 研究区地表小面积出露于即墨市七级镇一带,岩性以安山岩为主,局部夹砂砾岩、砂岩。 胶参2 井揭露厚度103.0 m(870.5 ～973.5 m),岩石组合:上部岩性为绿色、紫红色安山岩与绿色、紫色泥岩互层,下部为紫红色、棕红色泥岩、粉砂岩,绿色、灰色页岩夹安山岩,底部为安山岩。 胶参3 井揭露厚度74.0 m(1641.5～1567.5 m),岩石组合:绿色安山岩夹紫色安山岩,未见泥岩夹层。

2.3 辛格庄组

不整合于八亩地组之上以细碎屑沉积岩发育为特征,岩石色调杂、粒度细,色调上以灰紫—紫红—灰白色为主,岩性以钙质砂岩、泥质粉砂岩、泥岩、页岩夹砂砾岩、泥灰岩发育为特征的岩石组合。 地表浅覆盖区广泛分布,局部见流纹质熔结凝灰岩、玄武岩、玄武粗安岩、粗面安山岩夹层,其中流纹质熔结凝灰岩锆石LA-ICP-MS U-Pb 成岩年龄为118.32±0.73 Ma (徐伟祥,2019), 形成时代为早白垩世。 胶参2 井,揭露厚度860.5 m(10.0～870.5 m),岩性组合为灰紫—紫红—棕红—灰色泥岩、粉砂岩、页岩为主,夹砂岩和砂砾岩,偶夹流纹质凝灰岩。 其沉积环境属于三角洲相,滨湖相沉积。 胶参3 孔揭露厚度1555.5 m(12.0～1567.5 m),岩性组合为紫红色泥岩、粉砂岩,紫红—深灰—棕红色页岩,夹中—细粒砂岩,偶夹棕红色砂砾岩、流纹质凝灰岩。 其沉积环境为浅湖、深湖相沉积。 埋深774 m 之上多层砂岩、粉砂岩中含石膏,表明末期气候干旱,湖泊水体变小甚至干涸。

3 火山活动旋回特征

研究区火山构造分区属环太平洋中新生代火山活动带(Ⅰ)—辽鲁中新生代火山带(Ⅱ)—鲁东中生代火山喷发区(Ⅲ)—高密火山洼地(Ⅳ)(宋明春等,2003)。 区内火山活动不太发育,其火山物质主要来自于周边即墨一带的火山机构。 据地表火山岩分布及胶参2 井、3 井资料,研究区中生代火山活动识别出4 个旋回,分别对应于早白垩世青山群沉积期火山活动的后夼旋回、八亩地旋回、石前庄旋回和方戈庄旋回。 胶参2 井和3 井中火山岩垂向分布很有规律,以安山岩层为标志层,可识别出前3 个火山旋回。

3.1 后夼旋回

对应青山群后夼组流纹质凝灰岩夹层,研究区多有分布,为隐伏地层,在胶参2、胶参3 钻孔中可见,马山一带岩性以流纹质凝灰岩为主。 胶参2 井在安山岩层之下发育61 层流纹质凝灰岩,最厚单层21.0 m(1505.0～1526.0 m)。 在1357.0～1447.5 m流纹凝灰岩层频繁出现,与正常沉积的泥岩、页岩几乎成互层状;胶参3 井安山岩层之下发育75 层流纹质凝灰岩,有3 个集中出现层段分别是:1767.5 ～1880.0 m、2331.5～2373.0 m、2515.5～2579.0 m,单层厚度可达14.5 m。 研究区后夼旋回发育弱爆发相,构成了后夼组的酸性火山碎屑岩组合。 岩性主要为流纹质凝灰岩,与泥岩、粉砂岩组成多个韵律,为邻区周围火山喷发物飘散到盆地中沉积而成。

3.2 八亩地旋回

对应青山群八亩地组,全区均有分布,是区内火山活动的鼎盛期,研究区多为隐伏地质体,在即墨市七级镇一带可见基岩露头;胶参2 井发育10 层安山岩,与绿色泥岩组成韵律,厚度103.0 m(870.5 ～973.5 m)。 胶参3 井只发育3 层熔岩:绿色安山岩—紫色安山岩—绿色安山岩,其间无沉积岩夹层,厚度74.0 m(1567.5 ～1641.5 m)。 八亩地旋回包括多个溢流相—爆发相、溢流相—沉积相正韵律,由南东至北西,厚度逐渐变薄,反映逐渐远离火山喷发中心(即墨一带)。

3.3 石前庄旋回

对应辛格庄组下部流纹质熔结凝灰岩夹层,研究区多为隐伏地质体,在胶参2 井、胶参3 井钻孔八亩地组以上含多层流纹质凝灰岩夹层,胶参2 井,安山岩层之上发育5 层流纹质凝灰岩,最顶部1 层位于731.5 ～742.0 m,是安山岩层之上层位最高的一层流纹质凝灰岩;胶参3 井安山岩层之上发育39 层流纹质凝灰岩,290 m 之上未再见流纹质凝灰岩。地表高密市张鲁镇一带见流纹质凝灰岩夹层,为爆发相的流纹质熔结凝灰岩。

3.4 方戈庄旋回

对应辛格庄组上部中基性熔岩、火山碎屑岩夹层。 地表见于即墨李戈庄镇至胶州马店以西地带,呈夹层出现,岩性主要有玄武岩、粗面安山岩、粗面玄武岩、橄榄玄武岩、玄武粗安岩质集块角砾岩等, 反映出喷溢相—爆发相的火山活动韵律,以喷溢相为主,在马店镇以西邰家村一带发育火山通道相。

后夼旋回、石前庄旋回在胶东地区有广布性,以酸性火山碎屑岩发育为特征,酸性火山物质爆发性强,多以空落状态沉积,火山灰可以随风飘散至广大地区。 两个钻孔的流纹质凝灰岩单层都很薄,一般0.5 m 至数米,最厚单层21.0 m,夹于泥岩、页岩、粉砂岩之间,应是空落沉积物,来自于湖泊周围火山喷发区的火山灰落于水中堆积而成。 而八亩地旋回和方戈庄旋回以中基性熔岩和近源空落物质为主,分布则相对局限,规模也不及后夼旋回和石前庄旋回。

4 沉积地层格架及岩相古地理分析

研究区胶参2 井、3 井钻孔未见莱阳群地层,因此早白垩世莱阳群沉积期李党家—马山古凸起属于剥蚀区。 至青山群沉积期由于东部地区崂山岩体侵位上拱,该区产生相对沉降形成沉积中心接受沉积,并且沉降速率较快,形成面积较大的湖泊。 据胶参2 井层序分析,蓝村一带处于河口、三角洲地区,主要发育三角洲相、滨湖相沉积,有时为浅湖和河流相;而胶参3 井万家至以北则是湖泊中心,主要发育浅湖、甚至深湖相沉积,因地形因素坡降较大、沉积速率较快,故沉积厚度比东部胶参2 井处大(图4)。

图4 山东胶莱盆地李党家—马山古凸起沉积格架图Fig. 4 Sedimentary framework of Lidangjia—Mashan paleo-uplift in the Jiaolai Basin, Shandong

胶参2 井、3 井流纹质凝灰岩、安山岩层位分布很有规律,与区域上酸性—中基性—酸性—偏碱中基性的岩浆演化规律相吻合,唯不同的是缺少最后一个旋回。 这可能与研究区所处古地理位置有关。方戈庄期的火山活动以喷溢方式为主,少爆发产生的易飘散火山物质,故钻孔地层中缺少此旋回的记录。 而两个钻孔中流纹质凝灰岩层的厚度差异,可能是古地理微地貌不同造成:胶参2 井的位置在湖泊(火山洼地)的边部,是三角洲和滨湖环境,飘落的火山灰易被水流带入湖泊中心,故流纹质凝灰岩层就偏少;而安山岩层则相反,胶参3 井只发育3 层熔岩,厚度74.0 m:胶参2 井发育10 层安山岩,厚度103.0 m。 相比胶参3 井,胶参2 井中较多的安山岩夹层、较少的流纹质凝灰岩以及较粗的沉积碎屑岩均显示,湖盆的东缘为湖泊沉积提供了大量陆源碎屑和火山物质。

4.1 莱阳群沉积期

莱阳群沉积期李党家—马山古凸起没有发生沉积,莱阳群晚期仅在凸起外围边部沉积莱阳群地层。凸起东侧马山一带分布曲格庄组河流相沉积砂岩、砂砾岩夹粉砂岩组合;凸起南侧高密凹陷姚哥庄一带胶参1 井沉积厚层山麓洪积物,为杜村组棕红、紫红、灰色砾岩、砂砾岩组合。 其砾石分选、磨圆均差,反映了近距离搬运、堆积特点。 曲格庄组和杜村组为莱阳群晚期同期异相产物。 高密城南发育杨家庄组河流相中细粒砂岩。 李党家—马山古凸起北侧平度凹陷中推测王氏群、青山群之下也发育莱阳群沉积,故李党家—马山古凸起在莱阳群沉积期为剥蚀物源区(图5)。

图5 山东胶莱盆地莱阳群沉积期岩相古地理图:(a) 胶莱盆地;(b) 研究区Fig. 5 Lithofacies palaeogeographic map of the Laiyang Group in the Jiaolai Basin, Shandong: (a) Jiaolai Basin; (b) research area

4.2 青山群后夼组、八亩地组沉积期

青山群沉积期火山活动开始强烈,东部青岛地区崂山花岗岩岩体侵位上拱,区内大部分地区产生相对沉降,莱阳沉积期的凸起变为青山沉积期的凹陷,形成新的沉积中心接受沉积。 此时李党家—马山湖泊的形成推测与周边断裂有关。 由于沉积速率较快,迅速形成面积较大的湖泊,在李党家—马山凸起古元古代基底上开始了后夼组沉积。 根据胶参2井、胶参3 井资料分析,在胶参3 井处为深湖相沉积,岩性主要为粉砂质泥岩、页岩;胶参2 井处为河流三角洲相沉积,岩性为砂砾岩、细砂岩等(图6)。在后夼组沉积物中含较多流纹质凝灰岩夹层,反映了当时调查区东侧即墨一带火山活动频繁。 由于构造活动加剧,断裂大幅下切,导致火山活动加剧,大量中性岩浆侵位,对应于八亩地组,该阶段喷发中心位于即墨一带,岩性以中性的安山岩、安山质角砾岩、角砾凝灰岩为主。 火山喷发的间隙也有河流沉积作用,沉积一些正常的碎屑岩,形成了火山岩中的沉积夹层,主要为凝灰质砾岩、凝灰质砂砾岩和凝灰质粉砂岩等(图7)。

图7 山东胶莱盆地青山群八亩地组沉积时期岩相古地理图:(a) 胶莱盆地;(b) 研究区Fig. 7 Lithofacies palaeogeographic map of the Bamudi Formation, Qingshan Group, in the Jiaolai Basin, Shandong: (a) Jiaolai Basin; (b) research area

图6 山东胶莱盆地青山群后夼组沉积期岩相古地理图: (a) 胶莱盆地;(b) 研究区Fig. 6 Lithofacies palaeogeographic map of the Houkuang Formation, Qingshan Group, in the Jiaolai Basin, Shandong: (a) Jiaolai basin; (b) research area

4.3 王氏群辛格庄组沉积期

经过青山沉积期早期大规模火山活动,地壳中积累的能量被释放,沉积物又加大了盆地载荷,调查区又进入新的比较稳定的沉降阶段。 此时区域上火山活动仍然强烈,相当于石前庄火山旋回时期(徐伟祥,2019)。 在辛格庄组沉积物中可见大量流纹质凝灰岩夹层,在马店以西邰家村附近发育锥状火山构造。 据地层发育情况和沉积相分析:七级一带和高密一带为高地,处于剥蚀状态,为物源区;万家镇一带为深湖相,沉积物以泥岩、页岩为主;蓝村一带为浅湖相,沉积物以粉砂岩、细砂岩为主;在高密市东北部山前地段局部发育沉积扇相,岩性为砂砾岩、粗砂岩等,多是水下分支河道的产物(图8)。 王氏群辛格庄组沉积晚期气候较为干热,湖泊萎缩,甚至常常干涸,在万家一带胶参3 井资料中常见石膏沉积。 末期,研究区沉降速度减慢,湖泊进入消亡,研究区整体处于剥蚀状态,沉积向研究区南、北两侧胶州凹陷和平度凹陷迁移,沉积河流相沉积(红土崖组),并延续到新生代(胶州组、五图群)。

图8 山东胶莱盆地王氏群辛格庄组沉积时期岩相古地理图: (a) 胶莱盆地;(b) 研究区Fig. 8 Lithofacies palaeogeographic map of the Xingezhuang Formation, Wangshi Group, in the Jiaolai Basin, Shandong: (a) Jiaolai Basin; (b) research area

5 岩石地层区域对比

早白垩世是山东省中—新生代火山活动最强烈期,特别是早白垩世中期(青山群沉积期),对应中国东部岩石圈大规模的减薄时期,是大陆裂谷作用的高峰期(邱连贵等,2008;陈根文等,2008),几乎在各个火山盆地都发生了强、弱不等的火山活动。火山活动有活跃期和稳定期,在相对稳定期就发育正常碎屑岩的沉积和火山物质的侵蚀搬运,成为火山岩系中的沉积夹层。 胶州地区河西郭—冷家村一带的后夼组上部一套含凝灰质的正常碎屑岩厚达468.5 m❶,八亩地组中夹有几十米的粉砂岩、砂砾岩,石前庄组中夹有几十米至100 余米的正常沉积粉砂岩、砂质砾岩、粗砂岩;即墨地区的后夼组、八亩地组、石前庄组也常有正常沉积碎屑岩夹层出现。

据李党家—马山古凸起胶参2 井、胶参3 井钻孔资料分析,由于古地理环境的差异,古凸起上白垩纪地层与区域上同层位地层虽有较大的差异,与区域上典型地点的层序不完全吻合。 但地层序列、岩石组合、火山活动旋回可对比:区内王氏群辛格庄组相当于区域上青山群石前庄组和王氏群林家庄组、辛格庄组、红土崖组(表1),这反映了陆相地层尤其是火山岩—火山碎屑岩地层的复杂性,岩石地层的划分与地层序列不受年代地层和地质时代的制约,恰好反映了岩石地层的穿时性。

表1 山东胶莱盆地岩石地层划分对比表Table 1 Lithostratigraphic division and correlation table of the Jiaolai Basin, Shandong

6 结论

李党家—马山古凸起为前莱阳群沉积期凸起,这个隐伏凸起与胶莱盆地东北暴露的荆山凸起(大野头凸起)、胶莱盆地西部赵戈庄凸起类似,由基底变质岩系组成。 李党家—马山古凸起之上白垩纪地层为一套巨厚中生代陆相细碎屑岩沉积,夹少量火山岩—火山碎屑岩沉积。 根据岩石组合、地层序列,自下而上划分为青山群后夼组、八亩地组,王氏群辛戈庄组。 因其处于火山洼地,地层中保存的火山沉积韵律与周边的青山群相吻合,识别出4 期火山旋回。

研究区建立了地层格架,恢复了李党家—马山古凸起莱阳沉积期,青山群沉积期和王氏群沉积期岩相古地理。 莱阳群沉积期为剥蚀物源区,至青山群沉积期沉降逐渐演变为湖泊,接受巨厚层湖相沉积。 晚白垩世,李党家—马山古凸起湖泊进入消亡,处于剥蚀状态,沉积中心向南北两侧迁移。

致谢:在论文编写中得到刘明渭教授级高工的悉心指导,在此表示诚挚的感谢。

注释/Notes

❶ 山东省区域地质调查队. 1992. 1 ∶20 万青岛幅、高密幅、灵山卫幅区域地质调查报告.

❷ 山东省第四地质矿产勘查院. 2019. 山东1 ∶5 万万家、南村、高密、蓝村幅区域地质调查报告.

❸ 山东省地质调查院. 2017. 山东省1 ∶5 万夏格庄、灵山幅区域地质调查报告.